基于DSP 的無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢(shì)的永磁同步電機(jī)稱為直流無(wú)刷電機(jī)。直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對(duì)于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號(hào)，使用位置傳感器是直流無(wú)刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無(wú)刷電機(jī)的應(yīng)用帶來(lái)很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本；其次，

　　連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性 ，常規(guī)的位置傳感器根本無(wú)法使用；最后，傳感器的安裝精度還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。

　　為了降低硬件的成本和復(fù)雜性、增加機(jī)械魯棒性和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和減少維護(hù)的需要，又不增加系統(tǒng)慣量并能減小噪音的要求，最理想的就是取消矢量控制系統(tǒng)中的位置傳感器。

　　所謂無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)控制技術(shù) ，正確的理解應(yīng)該是無(wú)機(jī)械的位置傳感器控制技術(shù)。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，作為控制逆變器換相導(dǎo)通時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是需要的，只不過(guò)這種信號(hào)不再由機(jī)械式的位置傳感器來(lái)提供，而由新的位置檢測(cè)信號(hào)電路來(lái)代替、即以提高電路和控制的復(fù)雜性來(lái)降低電機(jī)的復(fù)雜性。所以，直流無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的核心和關(guān)鍵就是構(gòu)建一個(gè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路，從軟、硬件兩個(gè)方面來(lái)間接獲得正觸發(fā)相應(yīng)的逆變器，從而驅(qū)動(dòng)電 確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。要做到精確控制需要相當(dāng)復(fù)雜且快速的運(yùn)算，一般的微處理是器難以實(shí)現(xiàn)的，但是，數(shù)字信號(hào)處理器以其強(qiáng)大的運(yùn)算功能使這種控制方式成為現(xiàn)實(shí)。

　　1 基于反電勢(shì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案［2］

　　直流無(wú)刷電機(jī)的反電勢(shì)幅值是與位置相關(guān)的。這樣，如果它可以精確地檢測(cè)到，就可以得到實(shí)時(shí)的精確轉(zhuǎn)子位置，從而用來(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)方式。這種方法的缺點(diǎn)是：電機(jī)靜止或低速時(shí)的反電勢(shì)信號(hào)為零或很小，難以得到有效的換向信號(hào)，因此系統(tǒng)的低速性能差，電機(jī)啟動(dòng)需要特別的硬件電路或?qū)ｉT(mén)的軟件啟動(dòng)方法。

　　當(dāng)電機(jī)速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內(nèi)某相反電勢(shì)為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1 所示通過(guò)過(guò)零點(diǎn)時(shí)反電勢(shì)的斜率來(lái)區(qū)分這些位置，每一段對(duì)應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

　　圖1反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)

　　在任一時(shí)刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2 所示為W 相用于反電勢(shì)檢測(cè)時(shí)的情況。當(dāng)U 相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流），V 相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時(shí)，對(duì)應(yīng)圖1 中區(qū)間6Q和1Q時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設(shè)通電相的兩端總是對(duì)稱地分別連接到DC 電源地兩個(gè)端點(diǎn)上，則星型連接中心點(diǎn)的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個(gè)通電相繞組上的電壓極性無(wú)關(guān)。但是，只有在每相的R、L 和反電勢(shì)

　　都相同，且每相的開(kāi)關(guān)管壓降都相等的情況下，星型連接中心點(diǎn)的電壓值才為1/2V DCC。假設(shè)現(xiàn)在的情況就是這樣，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)將被偏置1/2V DC。

　　上述方法很容易通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)分壓電路對(duì)三相的端電壓和VDC 分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻即為1/2VDC 的時(shí)刻。使用一個(gè)可用的定某相反電勢(shì)經(jīng)過(guò)時(shí)器測(cè)量60°（即兩次反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)之間）的時(shí)間。將這個(gè)值除以2，然后加載到另一個(gè)定時(shí)器中，這樣就可以補(bǔ)償正確換向所需的30°偏移量。

　　2 DSP 控制方案的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［3］ ［4］

　　2.1 TMS320LF240x 芯片簡(jiǎn)介

　　TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數(shù)字電動(dòng)機(jī)控制（DMC）應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該芯片具有高性能的16 位定點(diǎn)DSP 內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有專門(mén)的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS 的處理能力，大多數(shù)指令在單周期內(nèi)即可執(zhí)行完成。同時(shí)，該芯片集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC ）、串行通信接口（SCI）和串行外部設(shè)備接口（SPI）、系統(tǒng)保護(hù)（如低電壓檢測(cè)和看門(mén)狗定時(shí)器）等。TMS320LF240x 可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件，完成復(fù)雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，能滿足無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)控制的要求。

　　2.2 DSP 控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　圖3 是根據(jù)前述控制原理設(shè)計(jì)的基于DSP 的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無(wú)刷電機(jī)、功率變換器電路、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、各種保護(hù)電路以及以TMS320LF240x 為核心的數(shù)字控制器等構(gòu)成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM 功率模塊）和相應(yīng)的保護(hù)電路組成。

　　圖3 DSP 控制系統(tǒng)

　　逆變器電路中的IPM 模塊集成了多種保護(hù)功能，如過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過(guò)流保護(hù)等，當(dāng)達(dá)到保護(hù)閾值時(shí)，IPM 模塊通過(guò)FO 引腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)，并將此低電平信號(hào)送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，將所有PWM 輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，以此來(lái)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，起到保護(hù)電路的作用。

　　轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路采用1/2 電壓采樣法來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)的三相端電壓及直流母線電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，其結(jié)果送入DSP 的捕捉端口中。

　　2.3 DSP 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。由于采用了面向電機(jī)控制的高速DSP，無(wú)論是速度環(huán)的設(shè)計(jì)，還是電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)，以及各種反饋信號(hào)的處理和PWM 控制信號(hào)的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無(wú)刷電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP 初始化程序和電機(jī)控制程序兩部分。DSP 初始化程序主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定，中斷向量的定義，I/O 端口的初始化，控制寄存器的設(shè)置以及各功能模塊的初始化等；電機(jī)控制程序主要負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動(dòng)控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理等，因此電機(jī)控制程序包括啟動(dòng)子程序、電流和位置檢測(cè)中斷服務(wù)子程序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM 調(diào)制子程序以及系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理子程序等。

　　進(jìn)行各種反饋信號(hào)的檢測(cè)是構(gòu)成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號(hào)、電流信號(hào)的檢測(cè)分別由位置檢測(cè)中斷服務(wù)程序和電流檢測(cè)中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通過(guò)軟件計(jì)算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，本系統(tǒng)電流環(huán)采用PID 調(diào)節(jié)器， 速度環(huán)采用遇限削弱積分分離PI 控制算法。其控制環(huán)路簡(jiǎn)圖如圖4 所示。

　　圖4 電流和速度控制環(huán)路

　　PWM 調(diào)制子程序根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流信號(hào)通過(guò)事件管理器（EV）產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號(hào)。通過(guò)定時(shí)器控制寄存器TxCON 中的位模式將通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/ 減計(jì)數(shù)模式以產(chǎn)生對(duì)稱的PWM 波形。另外，TMS320LF240x 的事件管理器具有可編程的死區(qū)單元，通過(guò)死區(qū)定時(shí)器控制寄存器（DBTCONx ）設(shè)置死區(qū)時(shí)間，從而避免逆變器同一橋臂上的兩個(gè)功率器件發(fā)生直通故障。

　　2.4 電機(jī)的啟動(dòng)方案

　　由于直流無(wú)刷電機(jī)在靜止及低速運(yùn)行時(shí)難以正確檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)，因此必須解決電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)的問(wèn)題。以往曾有多種啟動(dòng)方法，但有的要增加復(fù)雜的啟動(dòng)電路，有的則要與電機(jī)特性聯(lián)系密切， ，實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度較大、且可靠性較低。

　　本系統(tǒng)采用三段式的方法單純利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)，將電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程分為預(yù)定位、強(qiáng)制運(yùn)行與同步切換三個(gè)階段。在電機(jī)靜止時(shí)，轉(zhuǎn)子的初始位置未知，需要給設(shè)定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組