無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實(shí)現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對于轉(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刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便：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。

　　無位置傳感器控制技術(shù)是近30年來無刷直流電機(jī)(BLDCM)研究的一個(gè)重要方向。論述了國內(nèi)外BLDCM無位置傳感器控制的研究現(xiàn)狀。著重介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對它們作了綜合分析和比較。無位置傳感器控制就是在沒有機(jī)械式位置傳感器的情況下進(jìn)行的控制。此時(shí)，作為逆變器開關(guān)換向?qū)〞r(shí)序信號(hào)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是必不可少的，只不過不再由位置傳感器來提供，而應(yīng)該由新的位置信號(hào)檢測措施來代替，即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

　　目前，BLDCM無位置傳感器控制研究的核心是構(gòu)架轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。到目前為止，在眾多的位置信號(hào)檢測方法中，應(yīng)用和研究較多的主要有定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀測器法等。

　　1基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置檢測方案

　　無刷直流電機(jī)(BushlessDCMotor，BLDCM)具有無換向火花、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場合得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來控制轉(zhuǎn)子位置，這給其應(yīng)用帶來了很多不利的影響。BLDCM的無位置傳感器控制在近30年中一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課題[1]。目前，對于BLDCM的無位置傳感器控制，針對不同的性能要求和應(yīng)用場合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現(xiàn)方法，例如定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態(tài)觀測器法等。本文在簡要論述BLDCM無位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾類方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn)。

　　當(dāng)電機(jī)速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1所示通過過零點(diǎn)時(shí)反電勢的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。

　　圖1反電勢過零點(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相用于反電勢檢測時(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關(guān)。

　　圖2 W相用于反電勢檢測

　　上述方法很容易通過硬件實(shí)現(xiàn)，即通過分壓電路對三相的端電壓和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經(jīng)過時(shí)器測量60°(即兩次反電勢過零點(diǎn)之間)的時(shí)間。

　　2DSP控制方案的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　2.1TMS320LF240x芯片簡介

　　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。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)，能滿足無傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)對實(shí)時(shí)控制的要求。

　　2.2DSP控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　DSP系統(tǒng)由TMS320LF2407A與仿真口(JTAG)等外圍電路構(gòu)成。DSP內(nèi)部已有32K字的FlashROM，但為了調(diào)試的方便(FlashROM中的程序不能設(shè)置斷點(diǎn)，且需專門的下載程序)，外加了程序RAM，在程序經(jīng)多次調(diào)試，成熟可靠時(shí)可寫人內(nèi)部的FlashROM，通過設(shè)置相應(yīng)的跳線，DSP復(fù)位時(shí)即可從內(nèi)部的FlashROM來執(zhí)行程序。DSP片上有544字的雙口RAM(DARAM)，全部配置到數(shù)據(jù)空間，將程序中頻繁存取的變量分配到這部分雙口RAM中，以提高處理的速度。DSP片上還有2K字的單口RAM(SARAM)配置到數(shù)據(jù)空間，也用來存放臨時(shí)變量。

　　圖3是根據(jù)前述控制原理設(shè)計(jì)的基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無刷電機(jī)、功率變換器電路、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路、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3DSP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，如過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過流保護(hù)等，當(dāng)達(dá)到保護(hù)閾值時(shí)，IPM模塊通過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)子位置檢測電路采用1/2電壓采樣法來實(shí)現(xiàn)，對電機(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，從而得到過零點(diǎn)的時(shí)刻，其結(jié)果送入DSP的捕捉端口中。

　　2.3DSP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)的檢測分別由位置檢測中斷服務(wù)程序和電流檢測中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測通過軟件計(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。其控制環(huán)路簡圖如圖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)檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流信號(hào)通過事件管理器(EV)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)。通過定時(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)生對稱的PWM波形。