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引言 傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱(chēng)為直流無(wú)刷電機。直流無(wú)刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來(lái)實(shí)現有效的定子電流控制。而且，對于轉速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無(wú)刷電機矢量控制的基礎，但是，位置傳感器的存在也給直流無(wú)刷電機的應用帶來(lái)很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會(huì )增加電機的體積和成本；其次，連線(xiàn)眾多的位置傳感器會(huì )降低電機運行的可靠性，即便是現在應用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性，常規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 )影響電機的運行性能，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（BLDCM）研究的一個(gè)重要方向。論述了國內外BLDCM無(wú)位置傳感器控制的研究現狀。著(zhù)重介紹了目前應用和研究較多的幾種常規方法的基本原理、實(shí)現途徑、應用場(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對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)換向導通時(shí)序信號的轉子位置信號仍然是必不可少的，只不過(guò)不再由位置傳感器來(lái)提供，而應該由新的位置信號檢測措施來(lái)代替，即以提高電路和控制的復雜性來(lái)降低電機結構的復雜性。 目前，BLDCM無(wú)位置傳感器控制研究的核心是構架轉子位置信號檢測電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉子位置信號，從而觸發(fā)導通相應的功率器件，驅動(dòng)電機運轉。到目前為止，在眾多的位置信號檢測方法中，應用和研究較多的主要有定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法和狀態(tài)觀(guān)測器法等。 1基于反電勢的轉子位置檢測方案 無(wú)刷直流電機（BushlessDCMotor，BLDCM）具有無(wú)換向火花、運行可靠、維護方便、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場(chǎng)合得到了廣泛應用。但是傳統的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來(lái)控制轉子位置，這給其應用帶來(lái)了很多不利的影響。BLDCM的無(wú)位置傳感器控制在近30年中一直是國內外較為熱門(mén)的研究課題［1］。目前，對于BLDCM的無(wú)位置傳感器控制，針對不同的性能要求和應用場(chǎng)合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現方法，例如定子電感法、速度無(wú)關(guān)位置函數法、反電勢法、基波電勢換向法、狀態(tài)觀(guān)測器法等。本文在簡(jiǎn)要論述BLDCM無(wú)位置傳感器控制研究現狀的基礎上，詳細介紹了目前應用和研究較多的幾類(lèi)方法的基本原理、實(shí)現途徑、應用場(chǎng)合及優(yōu)缺點(diǎn)。 當電機速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內某相反電勢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)反電勢的斜率來(lái)區分這些位置，每一段對應電周期內的60°區間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過(guò)零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補償。 
圖1反電勢過(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相用于反電勢檢測時(shí)的情況。當U相內流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流），V相內流經(jīng)負相電流時(shí)，對應圖1中區間6Q和1Q時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設通電相的兩端總是對稱(chēng)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)。
上述方法很容易通過(guò)硬件實(shí)現，即通過(guò)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(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經(jīng)過(guò)時(shí)器測量60°（即兩次反電勢過(guò)零點(diǎn)之間）的時(shí)間。 2DSP控制方案的系統實(shí)現 2.1TMS320LF240x芯片簡(jiǎn)介 TMS320LF240x系列DSP是TI公司為滿(mǎn)足大范圍的數字電動(dòng)機控制（DMC）應用而設計的。該芯片具有高性能的16位定點(diǎn)DSP內核，采用改進(jìn)的哈佛總線(xiàn)結構，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，采用流水線(xiàn)操作，具有30MIPS的處理能力，大多數指令在單周期內即可執行完成。TMS320LF240x可以實(shí)現用軟件取代模擬器件，完成復雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數，能滿(mǎn)足無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機控制系統對實(shí)時(shí)控制的要求。 2.2DSP控制系統的硬件實(shí)現 DSP系統由TMS320LF2407A與仿真口（JTAG）等外圍電路構成。DSP內部已有32K字的FlashROM，但為了調試的方便（FlashROM中的程序不能設置斷點(diǎn)，且需專(zhuān)門(mén)的下載程序），外加了程序RAM，在程序經(jīng)多次調試，成熟可靠時(shí)可寫(xiě)人內部的FlashROM，通過(guò)設置相應的跳線(xiàn)，DSP復位時(shí)即可從內部的FlashROM來(lái)執行程序。DSP片上有544字的雙口RAM（DARAM），全部配置到數據空間，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）配置到數據空間，也用來(lái)存放臨時(shí)變量。 圖3是根據前述控制原理設計的基于DSP的直流無(wú)刷電機控制系統。該系統主要由直流無(wú)刷電機、功率變換器電路、電機轉子位置檢測電路、各種保護電路以及以TMS320LF240x為核心的數字控制器等構成，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）和相應的保護電路組成。
圖3DSP控制系統 逆變器電路中的IPM模塊集成了多種保護功能，如過(guò)電壓保護、欠電壓保護以及過(guò)流保護等，當達到保護閾值時(shí)，IPM模塊通過(guò)FO引腳輸出一個(gè)低電平信號，并將此低電平信號送入DSP的PDPINTx引腳，觸發(fā)功率驅動(dòng)保護中斷，將所有PWM輸出引腳設置為高阻態(tài)，以此來(lái)關(guān)斷驅動(dòng)信號，起到保護電路的作用。轉子位置檢測電路采用1/2電壓采樣法來(lái)實(shí)現，對電機的三相端電壓及直流母線(xiàn)電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，其結果送入DSP的捕捉端口中。 2.3DSP控制系統的軟件設計 本控制系統采用速度、電流雙閉環(huán)的控制結構。由于采用了面向電機控制的高速DSP，無(wú)論是速度環(huán)的設計，還是電流環(huán)的實(shí)現，以及各種反饋信號的處理和PWM控制信號的產(chǎn)生，均采用了數字信號處理技術(shù)，用軟件實(shí)現硬件電路的功能，完成直流無(wú)刷電機的實(shí)時(shí)控制。 控制系統的軟件設計主要包括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時(shí)鐘的設定，中斷向量的定義，I/O端口的初始化，控制寄存器的設置以及各功能模塊的初始化等；電機控制程序主要負責電機的啟動(dòng)控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統監控和故障處理等，因此電機控制程序包括啟動(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調制子程序以及系統監控和故障處理子程序等。 進(jìn)行各種反饋信號的檢測是構成雙閉環(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(lái)實(shí)現，轉速的檢測通過(guò)軟件計算間接獲得。為了提高系統的動(dòng)態(tài)性能和穩態(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調制子程序根據檢測到的轉子位置信號和電流信號通過(guò)事件管理器（EV）產(chǎn)生PWM調制信號。通過(guò)定時(shí)器控制寄存器TxCON中的位模式將通用定時(shí)器的計數模式設置為連續增/減計數模式以產(chǎn)生對稱(chēng)的PWM波形。2.4電機的啟動(dòng)方案 由于直流無(wú)刷電機在靜止及低速運行時(shí)難以正確檢測反電勢信號，因此必須解決電機在靜止狀態(tài)下啟動(dòng)的問(wèn)題。以往曾有多種啟動(dòng)方法，但有的要增加復雜的啟動(dòng)電路，有的則要與電機特性聯(lián)系密切，，實(shí)現起來(lái)難度較大、且可靠性較低。 本系統采用三段式的方法單純利用軟件來(lái)實(shí)現電機啟動(dòng)，將電機的啟動(dòng)過(guò)程分為預定位、強制運行與同步切換三個(gè)階段。在電機靜止時(shí)，轉子的初始位置未知，需要給設定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉子磁極穩定在這兩相繞組合成磁場(chǎng)的軸線(xiàn)上，以此作為轉子磁極初始位置（即預定位）。然后按定、轉子磁極間正確的空間相位關(guān)系使相應的功率器件導通，并以固定的時(shí)間進(jìn)行模式切換，在這段時(shí)間內反電勢幅值較小，不宜進(jìn)行過(guò)零檢測。 3實(shí)驗結果 將前述控制方案應用在直流變頻空調壓縮機系統上進(jìn)行實(shí)驗驗證，電機極對數為2，PWM載波頻率設為5kHz，最大輸出功率為2kW，調速范圍為15～～110Hz。實(shí)驗證明，該系統啟動(dòng)平穩，調速控制系統實(shí)時(shí)性好，具有良好的控制性能。圖5是無(wú)刷直流電機三相電壓的波形，圖6是無(wú)刷直流電機三相電流的波形，從波形圖中可以看出，輸出波形具有較高的質(zhì)量，從而表明該系統采用的控制策略和算法的可行性和和實(shí)用性。
圖5三相電壓波形
圖6三相電流波形 4結語(yǔ)直流無(wú)刷電機具有效率高、功率密度大、功率因數高、體積小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，其應用范圍非常廣泛。直流無(wú)刷電機的控制技術(shù)正在從傳統的有位置傳感器的閉環(huán)PID控制過(guò)渡到無(wú)位置傳感器的智能控制，其調速范圍、轉矩脈動(dòng)、系統魯棒性等性能都在不斷提高。 在充分利用了TMS320LF240x的強大實(shí)時(shí)計算能力和片內豐富的集成器件的基礎上，設計了基于DSP的無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機的控制方案，并給出了控制系統的軟、硬件結構。該控制系統具有良好的控制性能和調速性能，可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性和較高的穩態(tài)精度，運行效率高，抗干擾能力強，具有較高的實(shí)際應用價(jià)值。 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
