基于DSP 的無位置傳感器的直流無刷電機控制系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱為直流無刷電機。直流無刷電機的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實現(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，使用位置傳感器是直流無刷電機矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會增加電機的體積和成本；其次，

　　連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，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)壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性 ，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影響電機的運行性能，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、增加機械魯棒性和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和減少維護的需要，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。

　　所謂無位置傳感器的直流無刷電機控制技術(shù) ，正確的理解應(yīng)該是無機械的位置傳感器控制技術(shù)。在電機運轉(zhuǎn)的過程中，作為控制逆變器換相導(dǎo)通時序的轉(zhuǎn)子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由機械式的位置傳感器來提供，而由新的位置檢測信號電路來代替、即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機的復(fù)雜性。所以，直流無刷電機無位置傳感器控制技術(shù)的核心和關(guān)鍵就是構(gòu)建一個轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得正觸發(fā)相應(yīng)的逆變器，從而驅(qū)動電 確的轉(zhuǎn)子位置信號，機運轉(zhuǎn)。要做到精確控制需要相當(dāng)復(fù)雜且快速的運算，一般的微處理是器難以實現(xiàn)的，但是，數(shù)字信號處理器以其強大的運算功能使這種控制方式成為現(xiàn)實。

　　1 基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置檢測方案［2］

　　直流無刷電機的反電勢幅值是與位置相關(guān)的。這樣，如果它可以精確地檢測到，就可以得到實時的精確轉(zhuǎn)子位置，從而用來控制逆變器的開關(guān)方式。這種方法的缺點是：電機靜止或低速時的反電勢信號為零或很小，難以得到有效的換向信號，因此系統(tǒng)的低速性能差，電機啟動需要特別的硬件電路或?qū)ｉT的軟件啟動方法。

　　當(dāng)電機速度大于零時，每個電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1 所示通過過零點時反電勢的斜率來區(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，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進行補償。

　　圖1反電勢過零點

　　在任一時刻只有兩相通電，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的電流），V 相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時，對應(yīng)圖1 中區(qū)間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設(shè)通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC 電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關(guān)。但是，只有在每相的R、L 和反電勢

　　都相同，且每相的開關(guān)管壓降都相等的情況下，星型連接中心點的電壓值才為1/2V DCC。假設(shè)現(xiàn)在的情況就是這樣，反電勢過零點將被偏置1/2V DC。

　　上述方法很容易通過硬件實現(xiàn)，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC 分別進行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC 的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經(jīng)過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。將這個值除以2，然后加載到另一個定時器中，這樣就可以補償正確換向所需的30°偏移量。

　　2 DSP 控制方案的系統(tǒng)實現(xiàn)［3］ ［4］

　　2.1 TMS320LF240x 芯片簡介

　　TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數(shù)字電動機控制（DMC）應(yīng)用而設(shè)計的。該芯片具有高性能的16 位定點DSP 內(nèi)核，采用改進的哈佛總線結(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。同時，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（如低電壓檢測和看門狗定時器）等。TMS320LF240x 可以實現(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控制系統(tǒng)對實時控制的要求。

　　2.2 DSP 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

　　圖3 是根據(jù)前述控制原理設(shè)計的基于DSP 的直流無刷電機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無刷電機、功率變換器電路、電機轉(zhuǎn)子位置檢測電路、各種保護電路以及以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功能，如過電壓保護、欠電壓保護以及過流保護等，當(dāng)達到保護閾值時，IPM 模塊通過FO 引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發(fā)功率驅(qū)動保護中斷，將所有PWM 輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，以此來關(guān)斷驅(qū)動信號，起到保護電路的作用。

　　轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用1/2 電壓采樣法來實現(xiàn)，對電機的三相端電壓及直流母線電壓分別進行采樣，并將采樣結(jié)果送入比較器進行比較，從而得到過零點的時刻，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

　　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控制的高速DSP，無論是速度環(huán)的設(shè)計，還是電流環(huán)的實現(xiàn)，以及各種反饋信號的處理和PWM 控制信號的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，用軟件實現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無刷電機的實時控制。

　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括DSP 初始化程序和電機控制程序兩部分。DSP 初始化程序主要完成系統(tǒng)時鐘的設(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；電機控制程序主要負(fù)責(zé)電機的啟動控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理等，因此電機控制程序包括啟動子程序、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。

　　進行各種反饋信號的檢測是構(gòu)成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號、電流信號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)程序來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測通過軟件計算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動態(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)子位置信號和電流信號通過事件管理器（EV）產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號。通過定時器控制寄存器TxCON 中的位模式將通用定時器的計數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/ 減計數(shù)模式以產(chǎn)生對稱的PWM 波形。另外，TMS320LF240x 的事件管理器具有可編程的死區(qū)單元，通過死區(qū)定時器控制寄存器（DBTCONx ）設(shè)置死區(qū)時間，從而避免逆變器同一橋臂上的兩個功率器件發(fā)生直通故障。

　　2.4 電機的啟動方案

　　由于直流無刷電機在靜止及低速運行時難以正確檢測反電勢信號，因此必須解決電機在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動的問題。以往曾有多種啟動方法，但有的要增加復(fù)雜的啟動電路，有的則要與電機特性聯(lián)系密切， ，實現(xiàn)起來難度較大、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實現(xiàn)電機啟動，將電機的啟動過程分為預(yù)定位、強制運行與同步切換三個階段。在電機靜止時，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