曾麗，吳浩烈，肖 瑩(1武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，武漢430073；2貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng)摘要：介紹了基于dsp的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用反電動(dòng)勢(shì)法估算轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，針對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)反電動(dòng)勢(shì)比較小，難以得到有效的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的缺點(diǎn)，提出了二次定位法，并在起動(dòng)過程中加入電流閉環(huán)控制算法。該文從硬件和軟件兩方面詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方案的可行性。
無刷直流電動(dòng)機(jī)是利用電子換相技術(shù)代替電刷機(jī)械換相的新型機(jī)電一體化電機(jī)。，它既具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好而無機(jī)械換相等諸多特點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及。傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)需要位置傳感器向逆變橋提供換相信號(hào)，位置傳感器的使用增加了電機(jī)體積和成本，降低了電機(jī)的可靠性；而且在惡劣工作環(huán)境中常規(guī)傳感器無法使用。針對(duì)位置傳感器的種種弊端，提出了通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電壓、電流等信號(hào)的檢測(cè)和處理來獲得轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的控制系統(tǒng)。已有的方法有反電動(dòng)勢(shì)法、電感法、續(xù)流二極管法、狀態(tài)觀測(cè)器法等：本文采用性能最穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)法估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，設(shè)計(jì)了基于dsp的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)考慮到可靠性及技術(shù)成本，采用反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法來獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，該方法是目前最穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)法：圖1為無刷直流電機(jī)工作在兩兩通電六狀態(tài)下的反電動(dòng)勢(shì)與相電流波形。
從圖中可以看出在某一相繞組不通電的60°電角度過程中，該相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形有一個(gè)過零點(diǎn)，它位于梯形斜邊的中點(diǎn)。無刷直流電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過360°電角度，每一相反電動(dòng)勢(shì)將過零兩次。反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)檢測(cè)換相的主要思想就是通過檢測(cè)這個(gè)過零點(diǎn)的位置，在零點(diǎn)之后延時(shí)30°電角度控制逆變器使電動(dòng)機(jī)換相到下一個(gè)狀態(tài)。
由于反電動(dòng)勢(shì)的大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)沒有或較弱，難以檢測(cè)。通常先將電動(dòng)機(jī)開環(huán)起動(dòng)至一定轉(zhuǎn)速后
再切換到反電動(dòng)勢(shì)閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，已有的方法有外同步起動(dòng)、預(yù)定位起動(dòng)等。預(yù)定位起動(dòng)是先給預(yù)先設(shè)定的兩相繞組通以短暫的直流電，使得轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組合成磁勢(shì)的軸線位置，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)定位。如圖2(a)所示，定子繞組a、b通電，(：相斷開，將轉(zhuǎn)子強(qiáng)行定位在合成磁勢(shì)fa的方向上：但是，由于轉(zhuǎn)子位置不確定，在定位時(shí)如果轉(zhuǎn)子恰好處于圖2(b)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子就不會(huì)旋轉(zhuǎn)到圖2(a)所示位置，定位失�。簽榻鉀Q這一問題，本文提出二次定位法，即在第一次定位基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次定位。
起動(dòng)過程分四步：
①先將a、b通電，c相斷開，持續(xù)一段時(shí)問完成第一次定位，這時(shí)轉(zhuǎn)子可能在圖2(a)所示位置，也町能在圖2(b)所示位置。然后導(dǎo)通a、c兩相，b相關(guān)斷，再持續(xù)一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)第二次定位。
不論第一次定位是否成功，這時(shí)轉(zhuǎn)子都會(huì)旋轉(zhuǎn)到圖2(c)所示位置。
②起動(dòng)算法預(yù)先設(shè)置一個(gè)換相延時(shí)時(shí)間，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60。電角度所用的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間間隔由軟件延時(shí)控制，且該時(shí)間間隔不變。
③按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向給下一個(gè)狀態(tài)的兩相繞組通電，如順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的話，按b—a(電流由b流向a，c相關(guān)斷)，c—a，c—b，a—b，a—c，b—c的換相順序給繞組饋電一個(gè)換相周期。并在此時(shí)加入電流閉環(huán)控制算法，以調(diào)節(jié)pwm波占空比控制電機(jī)的輸出電壓。
⑧轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周后，電機(jī)具有一定轉(zhuǎn)速，這時(shí)起動(dòng)反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)算法。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)二周之后，由位置檢測(cè)算法可得到電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，從而知道轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60。電角度所用的時(shí)間，用這個(gè)時(shí)間更新預(yù)先設(shè)置的換相時(shí)間，進(jìn)入無位置傳感器閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)：
3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用tms320lf2407為系統(tǒng)控制核心，建立了無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖3為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。
主電路向無刷直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓就可以調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩：當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，系統(tǒng)的速度達(dá)到給定速度。圖巾虛線框內(nèi)表示的是dsp數(shù)字處理部分，系統(tǒng)外環(huán)為速度環(huán)，速度環(huán)使轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，并能獲得較高的調(diào)速精度。
采用積分分離的pi調(diào)節(jié)。輸出限幅決定于電機(jī)允許的****電流：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，電流環(huán)使電流跟隨電流給定的變化，保證起動(dòng)時(shí)電機(jī)能獲得允許的****電流，能提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，采用pi調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器的功能都由dsp采用數(shù)字調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)，這樣既省去了大部分模擬器件，又提高了系統(tǒng)可靠性。
4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
由于tms320lf2407內(nèi)部集成了大量用于電機(jī)控制的外同電路，能夠使系統(tǒng)外圍電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖3。
本系統(tǒng)由bldcm，主電路，端電壓檢測(cè)電路，電流采樣，過流檢測(cè)，母線電壓采樣，隔離電路，ipm故障檢測(cè)電路及tms320lf2407組成。
tms320lf2407帶16路內(nèi)置采樣／保持的10位a／d轉(zhuǎn)換器，可實(shí)時(shí)地對(duì)電機(jī)的電壓及電流進(jìn)行采樣。
本系統(tǒng)沒有速度檢測(cè)部分，利用dsp高速的運(yùn)算能力，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的算法間接計(jì)算得到電機(jī)的速度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、可靠。。tms320lf2407芯片內(nèi)有12路pwm產(chǎn)生電路，這里使用eva模塊通過相應(yīng)設(shè)置后輸出6路方波信號(hào)，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路控制相應(yīng)功率開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的正確換相。
4。1主電路
主電路包括三相整流、濾波、逆變。三相交流電經(jīng)過空氣開關(guān)和快速熔斷器，由二極管組成的三相橋式整流模塊整流后，變成直流脈動(dòng)電壓。：為了減少直流脈動(dòng)，在整流橋的輸出端接大電容進(jìn)行濾波，使電壓的大小也基本保持不變。逆變電路采用典型的三相電壓源型逆變電路，逆變電路的主開關(guān)器件采用智能功率模塊(ipm)。
4。2轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路
由于反電動(dòng)勢(shì)是難以直接測(cè)取的物理量，檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)實(shí)際上是通過檢測(cè)三相繞組端電壓間接獲得反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)，圖4為a相繞組端電壓檢測(cè)電路。
端電壓u經(jīng)分壓濾波，過零檢測(cè)，光電隔離后送入dsp的l／0。由于逆變器采用pwm方式，端電壓波形也為pwm波，需經(jīng)濾波之后可得到平滑的端電壓。為保證dsp的安全，輸入i／o口的電壓應(yīng)在3 3 v以下，檢測(cè)信號(hào)需通過光電隔離再送入d1sp。
4。3保護(hù)電路
系統(tǒng)的保護(hù)電路包括過壓、過流及ipm故障保護(hù)。本系統(tǒng)選用的ipm是三菱公司的pm50rsal20(50 a／l 200 v)，該ipm不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏過電壓，過電流和過熱等故障檢測(cè)電路及保護(hù)電路，一旦ipm出現(xiàn)故障，能自動(dòng)封鎖輸出，但一段時(shí)間后ipm會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。所以需要在ipm發(fā)生故障時(shí)將故障檢測(cè)信號(hào)送到dsp，d卵采取相應(yīng)措施，****封鎖ipm驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
采用這種雙重保護(hù)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步提高。
電流的變化非�？欤疚臎]計(jì)了過流檢測(cè)電路，采用硬件中斷的方式實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。母線電壓的變化相對(duì)較慢，硬件上只需母線電壓采樣電路，過壓保護(hù)在軟件設(shè)計(jì)中完成。
5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)軟件程序在cc軟件中采用dsp匯編語(yǔ)言編寫。整個(gè)軟件包括三部分：主程序、定時(shí)器t1下溢中斷模塊、ipm保護(hù)中斷和過流保護(hù)中斷模塊。
主程序完成系統(tǒng)的初始化，如中斷向量表、寄存器、i／0口、事件管理器、adc模塊的初始化等一初始化結(jié)束后進(jìn)人無限循環(huán)等待中斷，主要是等待tl下溢中斷處理程序，這個(gè)中斷程序是本系統(tǒng)控制算法的核心部分。
t1斷服務(wù)程序包括電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、換向時(shí)刻的判斷(包括轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的檢測(cè)、延時(shí)角的計(jì)算、相移的修正、濾波的實(shí)現(xiàn))、電流采樣和汁算、電流調(diào)節(jié)器(電流反饋的選擇和pt算法)、速度調(diào)節(jié)器(速度計(jì)算及積分分離pi算法)，pwm占空比的改變，母線電壓過壓保護(hù)等，這一過程在一個(gè)采樣周期l00
us內(nèi)完成.t1中斷服務(wù)程序軟件流程圖如圖5所示。
本文簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)上面敘述的電機(jī)起動(dòng)方法，通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)。
為了濾除換向瞬間反電動(dòng)勢(shì)出現(xiàn)的干擾，本文在軟件中采用延時(shí)濾波的方法來消除干擾。
本系統(tǒng)速度反饋無需借助任何測(cè)速電路或者速度傳感器，完全由軟件程序計(jì)算得到。本系統(tǒng)電機(jī)極對(duì)數(shù)為5，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)360°電角度捕獲單元有6個(gè)信號(hào)跳變，每轉(zhuǎn)一周捕獲單元就有30個(gè)信號(hào)跳變。
當(dāng)測(cè)得反電動(dòng)勢(shì)波形過零點(diǎn)后，再延遲30。電角度才是換相點(diǎn)，又由于端電壓檢測(cè)電
路中存在阻容濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)相位的滯后，即換相延時(shí)角不再是30。電角度，而是經(jīng)過了相位補(bǔ)償后的結(jié)果。
ipm保護(hù)中斷和過流保護(hù)巾斷使用同一個(gè)中斷源。當(dāng)ipm出現(xiàn)故障時(shí)，ipm會(huì)自動(dòng)關(guān)斷igbt并輸出故障信號(hào)給dsp芯片，使系統(tǒng)進(jìn)入中斷；一旦系統(tǒng)過流也會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)人中斷。系統(tǒng)進(jìn)入中斷會(huì)封鎖ipm的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并置ipm故障標(biāo)志或過流故障標(biāo)志，便于******找到問題所在。
6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
本系統(tǒng)所用無刷直流電機(jī)定子繞組采用三相y聯(lián)結(jié)，工作在兩兩通電六狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子為5對(duì)極，功率為400w，電壓300v，額定電流2 a。本文根據(jù)以上的硬件電路以及軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。圖6為電機(jī)起動(dòng)時(shí)相電流ia/ib的波形，圖7的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后用端電壓法檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)pa／pb的波形。圖6中縱坐標(biāo)為電流值的定點(diǎn)數(shù)(qlo格式)，起動(dòng)時(shí)電流****值ia=1936(q10)，電流的實(shí)際值ia=1936×10=1.89
通過利用tms320lf2407豐富的片內(nèi)資源和高效的運(yùn)算處理能力，且速度環(huán)電流環(huán)的pi控制，電機(jī)的起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)速度反饋等都由軟件完成，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)準(zhǔn)確性好，具有實(shí)用價(jià)值。
