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

作者: 時(shí)間:2015-06-27 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/276394.htm

  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。直流的轉(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),使用位置是直流矢量控制的基礎(chǔ),但是,位置的存在也給直流無(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。

  無(wú)位置傳感器控制技術(shù)是近30年來(lái)無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)研究的一個(gè)重要方向。論述了國(guó)內(nèi)外BLDCM無(wú)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(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn)等,并對(duì)它們作了綜合分析和比較。無(wú)位置傳感器控制就是在沒(méi)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(kāi)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(guò)不再由位置傳感器來(lái)提供,而應(yīng)該由新的位置信號(hào)檢測(cè)措施來(lái)代替,即以提高電路和控制的復(fù)雜性來(lái)降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

  目前,BLDCM無(wú)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(cè)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(cè)方法中,應(yīng)用和研究較多的主要有定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數(shù)法、反電勢(shì)法、基波電勢(shì)換向法和狀態(tài)觀測(cè)器法等。

  1基于反電勢(shì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案

  無(wú)刷直流電機(jī)(BushlessDCMotor,BLDCM)具有無(wú)換向火花、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因而在很多場(chǎng)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(lái)控制轉(zhuǎn)子位置,這給其應(yīng)用帶來(lái)了很多不利的影響。BLDCM的無(wú)位置傳感器控制在近30年中一直是國(guó)內(nèi)外較為熱門的研究課題[1]。目前,對(duì)于BLDCM的無(wú)位置傳感器控制,針對(duì)不同的性能要求和應(yīng)用場(chǎng)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(wú)關(guān)位置函數(shù)法、反電勢(shì)法、基波電勢(shì)換向法、狀態(tài)觀測(cè)器法等。本文在簡(jiǎn)要論述BLDCM無(wú)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(chǎng)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(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)。

  

 

  圖2 W相用于反電勢(shì)檢測(cè)

  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。

  2DSP控制方案的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  2.1TMS320LF240x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(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。

  2.2DSP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(guò)設(shè)置相應(yīng)的跳線,DSP復(fù)位時(shí)即可從內(nèi)部的FlashROM來(lái)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(lái)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(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(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。

  2.3DSP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(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。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。

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