无位置传感器的直流无刷电机控制系统设计与实现 霍尔传感器, 控制系统, 无刷电机, 同步电机, 工作环境

Bazinga

引言

传统上把具有梯形波反电势的永磁同步电机称为直流无刷电机。直流无刷电机的转矩控制需要转子位置信息来实现有效的定子电流控制。而且，对于转速控制，也需要速度信号，使用位置传感器是直流无刷电机矢量控制的基础，但是，位置传感器的存在也给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便：首先，位置传感器会增加电机的体积和成本；其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性，即便是现在应用最多的霍尔传感器，也存在一定程度的磁不敏感区；再次，在某些恶劣的工作环境、例如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本无法使用；最后，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加了生产的工艺难度。


无位置传感器控制技术是近30年来无刷直流电机（BLDCM）研究的一个重要方向。论述了国内外BLDCM无位置传感器控制的研究现状。着重介绍了目前应用和研究较多的几种常规方法的基本原理、实现途径、应用场合以及优缺点等，并对它们作了综合分析和比较。无位置传感器控制就是在没有机械式位置传感器的情况下进行的控制。此时，作为逆变器开关换向导通时序信号的转子位置信号仍然是必不可少的，只不过不再由位置传感器来提供，而应该由新的位置信号检测措施来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机结构的复杂性。


目前，BLDCM无位置传感器控制研究的核心是构架转子位置信号检测电路，从软硬件两方面间接获得可靠的转子位置信号，从而触发导通相应的功率器件，驱动电机运转。到目前为止，在众多的位置信号检测方法中，应用和研究较多的主要有定子电感法、速度无关位置函数法、反电势法、基波电势换向法和状态观测器法等。


1基于反电势的转子位置检测方案

无刷直流电机（BushlessDCMotor，BLDCM）具有无换向火花、运行可靠、维护方便、结构简单等优点，因而在很多场合得到了广泛应用。但是传统的BLDCM需要一个附加的位置传感器来控制转子位置，这给其应用带来了很多不利的影响。BLDCM的无位置传感器控制在近30年中一直是国内外较为热门的研究课题［1］。目前，对于BLDCM的无位置传感器控制，针对不同的性能要求和应用场合，人们已经提出了多种不同的控制理论和实现方法，例如定子电感法、速度无关位置函数法、反电势法、基波电势换向法、状态观测器法等。本文在简要论述BLDCM无位置传感器控制研究现状的基础上，详细介绍了目前应用和研究较多的几类方法的基本原理、实现途径、应用场合及优缺点。


当电机速度大于零时，每个电周期内某相反电势为零的位置只有两个，可以从图1所示通过过零点时反电势的斜率来区分这些位置，每一段对应电周期内的60°区间。换向发生在每一段的边界处，反电势过零点和需要换向的位置之间有30°的偏移，需要对其进行补偿。



图1反电势过零点

在任一时刻只有两相通电，且流经这两相的电流相反，图2所示为W相用于反电势检测时的情况。当U相内流经正向电流（定义为流向星型连接中心点的电流），V相内流经负相电流时，对应图1中区间6Q和1Q时，此置位的1动作。假设通电相的两端总是对称地分别连接到DC电源地两个端点上，则星型连接中心点的电压总是1/2VDC，与加在这两个通电相绕组上的电压极性无关。



图2  W相用于反电势检测


上述方法很容易通过硬件实现，即通过分压电路对三相的端电压和VDC分别进行采样，并将采样值送入比较器的比较端口，得到的过零点时刻即为1/2VDC的时刻。使用一个可用的定某相反电势经过时器测量60°（即两次反电势过零点之间）的时间。


2DSP控制方案的系统实现

2.1TMS320LF240x芯片简介

TMS320LF240x系列DSP是TI公司为满足大范围的数字电动机控制（DMC）应用而设计的。该芯片具有高性能的16位定点DSP内核，采用改进的哈佛总线结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，具有30MIPS的处理能力，大多数指令在单周期内即可执行完成。TMS320LF240x可以实现用软件取代模拟器件，完成复杂的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制参数，能满足无传感器直流无刷电机控制系统对实时控制的要求。


2.2DSP控制系统的硬件实现

DSP系统由TMS320LF2407A与仿真口（JTAG）等外围电路构成。DSP内部已有32K字的FlashROM，但为了调试的方便（FlashROM中的程序不能设置断点，且需专门的下载程序），外加了程序RAM，在程序经多次调试，成熟可靠时可写人内部的FlashROM，通过设置相应的跳线，DSP复位时即可从内部的FlashROM来执行程序。DSP片上有544字的双口RAM（DARAM），全部配置到数据空间，将程序中频繁存取的变量分配到这部分双口RAM中，以提高处理的速度。DSP片上还有2K字的单口RAM（SARAM）配置到数据空间，也用来存放临时变量。


图3是根据前述控制原理设计的基于DSP的直流无刷电机控制系统。该系统主要由直流无刷电机、功率变换器电路、电机转子位置检测电路、各种保护电路以及以TMS320LF240x为核心的数字控制器等构成，其中功率变换器电路由整流滤波电路、逆变器电路（IPM功率模块）和相应的保护电路组成。


图3DSP控制系统

逆变器电路中的IPM模块集成了多种保护功能，如过电压保护、欠电压保护以及过流保护等，当达到保护阈值时，IPM模块通过FO引脚输出一个低电平信号，并将此低电平信号送入DSP的PDPINTx引脚，触发功率驱动保护中断，将所有PWM输出引脚设置为高阻态，以此来关断驱动信号，起到保护电路的作用。


转子位置检测电路采用1/2电压采样法来实现，对电机的三相端电压及直流母线电压分别进行采样，并将采样结果送入比较器进行比较，从而得到过零点的时刻，其结果送入DSP的捕捉端口中。


2.3DSP控制系统的软件设计

本控制系统采用速度、电流双闭环的控制结构。由于采用了面向电机控制的高速DSP，无论是速度环的设计，还是电流环的实现，以及各种反馈信号的处理和PWM控制信号的产生，均采用了数字信号处理技术，用软件实现硬件电路的功能，完成直流无刷电机的实时控制。


控制系统的软件设计主要包括DSP初始化程序和电机控制程序两部分。DSP初始化程序主要完成系统时钟的设定，中断向量的定义，I/O端口的初始化，控制寄存器的设置以及各功能模块的初始化等；电机控制程序主要负责电机的启动控制、速度电流双闭环控制、系统监控和故障处理等，因此电机控制程序包括启动子程序、电流和位置检测中断服务子程序、速度控制子程序、电流控制子程序、PWM调制子程序以及系统监控和故障处理子程序等。


进行各种反馈信号的检测是构成双闭环控制的前提。位置信号、电流信号的检测分别由位置检测中断服务程序和电流检测中断服务程序来实现，转速的检测通过软件计算间接获得。为了提高系统的动态性能和稳态精度。其控制环路简图如图4所示。


图4电流和速度控制环路

PWM调制子程序根据检测到的转子位置信号和电流信号通过事件管理器（EV）产生PWM调制信号。通过定时器控制寄存器TxCON中的位模式将通用定时器的计数模式设置为连续增/减计数模式以产生对称的PWM波形。
2.4电机的启动方案

由于直流无刷电机在静止及低速运行时难以正确检测反电势信号，因此必须解决电机在静止状态下启动的问题。以往曾有多种启动方法，但有的要增加复杂的启动电路，有的则要与电机特性联系密切，，实现起来难度较大、且可靠性较低。


本系统采用三段式的方法单纯利用软件来实现电机启动，将电机的启动过程分为预定位、强制运行与同步切换三个阶段。在电机静止时，转子的初始位置未知，需要给设定的两相电枢绕组通以短暂的电流，使转子磁极稳定在这两相绕组合成磁场的轴线上，以此作为转子磁极初始位置（即预定位）。然后按定、转子磁极间正确的空间相位关系使相应的功率器件导通，并以固定的时间进行模式切换，在这段时间内反电势幅值较小，不宜进行过零检测。


3实验结果

将前述控制方案应用在直流变频空调压缩机系统上进行实验验证，电机极对数为2，PWM载波频率设为5kHz，最大输出功率为2kW，调速范围为15～～110Hz.实验证明，该系统启动平稳，调速控制系统实时性好，具有良好的控制性能。图5是无刷直流电机三相电压的波形，图6是无刷直流电机三相电流的波形，从波形图中可以看出，输出波形具有较高的质量，从而表明该系统采用的控制策略和算法的可行性和和实用性。



图5三相电压波形

图6三相电流波形

4结语

直流无刷电机具有效率高、功率密度大、功率因数高、体积小、控制精度高等优点，其应用范围非常广泛。直流无刷电机的控制技术正在从传统的有位置传感器的闭环PID控制过渡到无位置传感器的智能控制，其调速范围、转矩脉动、系统鲁棒性等性能都在不断提高。


在充分利用了TMS320LF240x的强大实时计算能力和片内丰富的集成器件的基础上，设计了基于DSP的无位置传感器直流无刷电机的控制方案，并给出了控制系统的软、硬件结构。该控制系统具有良好的控制性能和调速性能，可以获得较好的动态特性和较高的稳态精度，运行效率高，抗干扰能力强，具有较高的实际应用价值。