基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统
基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统
双纪文，黄志辉
（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）
摘要： 介绍了一种基于TMS320LF2407 DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统。针对无位置传感器无刷直流电机转子位置检测进行了研究。简述了实现该控制系统的硬件组成和软件的设计方案及控制策略，并对控制系统进行分析。此系统可大大简化硬件结构，并使电机得到高效稳定的控制。
关键词：无刷直流电机；无位置传感器；控制系统；DSP
Controlling Technology Based on DSP for BLDC Motor without Position Sensor
Shuang jiwen, Huang zhihui
(Traction Power State Key Laboratory, Southwest jiaotong university, Chengdu 610031, China)
Abstract: In this paper, a control system for BLDC motor without position sensor based on TMS320LF2407 DSP is presented. The authors studied the rotor position detection of a permanent-magnet BLDC motor without position sensor. The hardware component and software design solutions for this system based on DSP are described. This system can simplify hardware structure very much and control motor stably and effectively.
Key Words: brushless DC motor; position sensor less; control system; Digital Signal Processing
0. 引言
传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其它位置检测元件为位置传感器，以光电码盘为速度检测元件，安装在电机内部。它的存在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;再次，在某些恶劣的工作环境中，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就无法使用。此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度。位置传感器所带来的种种不利影响促使人们对直流无刷电动机的无位置传感器控制进行研究。
随着科技的高速发展，各类用于电机控制的高性能的单片机及DSP的功能越来越丰富，运算速度也有了质的飞跃，而且价格越来越低廉。例如美国TI公司出品的TMS320X240系列 DSP芯片，其内部具有电机控制单元，功能强大，单条指令的运算速度达到了25ns，是普通MCU的50倍，并且内部具有数字信号处理单元以及高速的数模转换单元。在上述的硬件基础上，完全可以实现性能优良的实时控制算法，编写完善的监控软件，如Kalman滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实时性。本文介绍一种基于TMS320LF2407的无位置传感器无刷直流电机控制系统。并对其进行了系统的分析。
1. 基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统原理
由于无刷直流电动机三相定子的导通顺序(即换相)由转子位置决定，其转矩只与方波电流的幅值成正比，所以调速系统的关键是转子位置的检测和电流大小的控制。因为电动机定子绕组中流过的是方波直流，电压与电流成正比，所以控制电压的幅值就可以控制电流的大小。调速系统中采用PWM控制方式，系统运行时，电流检测信号与给定值进行比较，通过电流环调解PWM波占空比的变化来调整逆变器输出电压的幅值，从而控制电动机的定子电流和转矩。
在本系统中直流无刷电动机的正确换相是通过软件对各相绕组反电势过零点的检测来实现的，同时通过对反电势过零点的次数的捕获可用来提供电动机的转速，为速度环的设计提供转速反馈信息。利用分流电阻来进行主回路电流的检测，为电流环的设计提供电流反馈信息。
基于本文所设计的无传感器无刷直流电动机控制系统的总体控制框图如图1所示。
图 1 无传感器控制系统的总体控制框图
2 反电势过零信号检测方法
当前，无位置传感器的位置检测方法主要有:端电压检测法、续流二极管工作状态检测法、反电势过零检测法、瞬时电压方程法等。
本文采用反电势过零检测法。由于反电势是难于直接测取的物理量，反电势的过零信号检测实际上是通过比较根据三相绕组端电压来间接地得到反电势过零信号。图2为电机一相绕组的电气模型示意图。图中L为相电感，R为相电阻，E为反电势，为三相绕组星型连接中点对地的电压，为端电压。的值由图2示的电路得到的信号经DSP的ADC单元转换得到。根据图3所示的等效电路图可得到下式
(1)
假设电机的通电状态为BC，即B、C两相导通，电流从B相流入C相流出，A相不导通。此时，可得
(2) （2）
当不导通相A的反电势过零点时，参考图3所示的三相反电势波形图，可得
(3)
由式（2）、式（3）可得到，在反电势过零点时中性点的电压为
(4)
反电势过零点的判断条件：BC通电的情况下，当时反电势未过零，当则过零点事件发生。
图2 电机一相绕组的等效电路图
图3 三相反电势波形图
3． 基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统软件设计
3.1 主程序
系统上电后，主程序开始运行，首先主程序完成系统的初始化，中断向量的设置，变量的初始化和电机的开环换相起动过程，之后主程序进行无传感器闭环控制过程。主程序框图如图4所示。
图4 主程序框图
3.2无位置传感器开环启动程序
反电动势检测技术使得无需位置传感器就可识别转子的位置，然而起始阶段不能采用这种方法。这是因为感应电压的大小与电机的转速成正比，因此，在速度很低时反电动势不能被有效检测，而要执行一个特殊的起动算法。程序框图如图5。
设变量Phase为相序控制变量。FLAG为开、闭环标志变量，FLAG=0，表示开环;FLAG=1，表示闭环.因为在开、闭环的PWM比较寄存器的设置方式不同，所以要加以区别.开始时，令Phase=O，表示先导通AC两相，FLAG=0，表示进入开环起动状态。在定时器T2中设定A、C两相导通时预定位的时间，当T2减为零时，发出换相信号Phase=Phase+l。Phase的值为0、l、2、3、4、5时，分别对应AB、AC、BC、BA、CA、CB六个通电状态。通过调用导通相PWM设置子程序对导通相的CMPR全比较寄存器进行设置。当Phase=6时对它清零，同时令FLAG=1，接着进入无位置传感器闭环控制程序。在起动时，要通过程序将占空比的设置逐渐增大，以使转速逐渐提高。同时，换相定时时间要相应减小，以保持对换相的有效控制。
图5 开环启动程序
4．控制系统硬件组成
由于TMS320LF2407具有丰富的片内资源，如A/D转换、PWM输出、EVA等功能模块。因此，本系统的控制电路较为简单，主要包括端电压过零检测电路、电流反馈检测电路、保护电路、电源电路、IPM驱动控制电路等电路。
本文给出电压检测电路原理图6。图中HCPL7800为隔离运算放大器，它具有较高的共模抑制比，良好的线性度，在高噪声的环境下也能保证其精确度和稳定性。根据其参数要求，本系统设计前端的电压信号分压输入电路，后端信号输出经过由LF353构成的差动放大器，再由(5V稳压二极管)构成的正负极性转换电路将差动放大器输出的信号转换为5V的单极性电压信号，最后送入DSP的A/D转换单元。
图6 端电压检测电路原理图
5. 结论
本问通过研究反电势过零检测方法，设计了一套基于TMS320F2407 DSP 的无位置传感器无刷直流电机控制系统。通过利用TMS320F2407DSP 丰富的片内资源，及其高效的运算处理能力，且反电势过零信号的检测，信号的滤波等都由软件完成，大大简化系统的硬件结构。使电机得到高效稳定的控制。
6. 参考文献
[1] Sung Jun Park, Han Woong Park,Man Hyung Lee, et al. A New Approach for Minimum-Torque-Ripple Maximum-Efficiency Control of BLDCM Motor. IEEE Trans. Ind. Elect., 2000, 47（1）：109~114
[2] Sun Jun Park. A New Approach for Minimum-Torque-Ripple Maximum-Efficiency Control of BLDC Motor. IEEE Trans. Ind. Elect., 2000, 47（1）：109~114
[3]张相军.无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究[D].上海大学博士生论文，2001
[4]金小俊，纪志成等.Kalman法预估无刷直流电机转子位置和速度.微特电机2002(2)
作者简介：双纪文（1984—），男，现为西南交通大学牵引动
力国家重点实验室硕士研究生，研究方向电机控制，电力
电子技术。 Email：sjw192@qq.com" sjw192@qq.com 电话：13428999152
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