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无位置传感器无刷直流电动机的控制 |
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作者：周志光 朱志伟 张红 |
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一般三相无刷直流电机是在定子上安装位置传感器来检测转子相对于定子所处的位置，并根据检测到的位置信号来决定电机换相输出。因此需要在电机上安装三个霍尔传感器来检测转子位置，不仅增加了电机工艺的复杂性，而且增加了电机成本和电机故障率，也增加了几根位置传感线到控制器上，给电动机整机安装带来不便。三相无位置传感器无刷直流电动机控制系统不需要在无刷直流电机上安装位置传感器，它检测三相无刷电机的三相电机线上的反电动势，根据此反电动势信号来通过DSP计算出电机转子目前相对于定子的位置，进而决定电机换相输出，因此省去了一般无刷直流电机上的三个霍尔位置传感器，从而减少了电机成本和故障率。
在本文介绍的控制系统中，采用TMS320LF2407A DSP芯片作为控制器。该芯片内部集成了前端采样A/D转换器和后端PWM输出硬件，将DSP的高运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，具有电机控制方面无可比拟的优点。
一、系统的控制原理
1. 无位置传感器无刷直流电动机的工作原理
在直流无刷电动机中,任何时刻三相中只有两相被激励。例如：A相中电流在00～1200和1800～3000期间流动，而在1200～1800和3000～3600期间，A相不通电。每一相的反电动势是梯形的，有两个稳定电压的1200区间，不通电相的反电动势可以被测出，间接得到转子位置。基于转子位置，建立三相逆变桥的功率器件的换向顺序，功率器件被每600有顺序地换向。
2. 反电动势法检测转子位置原理
三相无刷直流电动机在工作时，每相绕组都会产生感应电动势，电动机每转600就需要换相一次，所以在此之前被截断电流的某相绕组的感应电动势要反相，从而通过零点。直流电动机每转一转需要换相6次，所以三相绕组每转一转共有6个过零点，每相两个过零点。当得知某相的过零点的时刻后，将其延迟300就可以得到所需要的换相信号。反电动势法检测转子位置法是利用这一原理来实现位置检测。
图1 基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机的控制和驱动结构框图
用反电动势法检测转子位置的关键是找出过零点时刻。在图1中，依据基尔霍夫的回路电压定律可以得到以下结果：
任何时刻电动机三相绕组之间电压矢量和为0，即 VAB+VCA+VBC=0。
即 (VAN－VNB)＋(VCN－VNA)＋(VBN－VNC)=0
即 [(VA-VN)－(VN－VB)]＋[(VC－VN)－(VN－VA)]＋[(VB－VN)－(VN－VC)]=0
即VA＋VB＋VC=3VN (1)
即任何时刻电动机三相绕组的端点电位之和等于3倍中性点的电位。对于截断电流的某一相X，电流为0，截断电流前的端点电位为VX，根据反电动势的定义，该相的反电动势EX：
EX=－K(VX－VN)(2)
K为常数，其大小取决于电动机的电感量和电流的变化率。所以，可以根据(VX－VN)得到反电动势的过零点，然后用软件移相得到换相时刻并使逆变桥以合适的时序工作，从而保证电动机的正常运行。
二、系统的硬件组成
在图1所示的基于TMS320LF2407A的无刷直流电动机控制系统中，采用TMS320LF2407A作为控制器，处理采集到的数据和发送控制命令，检测转子的转动位置，并根据转子的位置发出相应的控制字来改变PWM信号的当前值，从而改变直流电机驱动电路中功率管的导通顺序，实现对电动机转速和转动方向的控制。其端口IOPC口用于按键命令， IOPE口用于点亮相关的信号指示灯。PWM信号通过驱动放大后，加在开关阵列。在系统的运行过程中，驱动保护电路会检测当前系统的运行状态。如果系统中出现过流或欠压情况，会启动DSP控制器的电源驱动保护，实现控制系统的DSP芯片和驱动电路的保护。
功率驱动电路
采用三相全控桥式的控制方式。功率MOSFET管采用IRFP054N，并采用IR2130作为全控桥的驱动电路。
IR2130芯片可同时控制六个大功率管的导通和关断顺序，通过输出HO1，2，3分别控制三相全桥驱动电路的上半桥V1、V3、V5的导通关断，而IR2130的输出LO1，2，3分别控制三相全桥驱动电路的下半桥V2、V4、V6的导通关断，从而达到控制电机转速和正反转的目的。IR2130芯片内部有电流比较电路，可以进行电机比较电流的设定。设定值可以作为软件保护电路的参考值，这样可以使电路能够适用于对不同功率的电机的控制。
转子位置检测和电流检测电路
转子位置检测采用反电动势检测的无传感器控制，为了计算中性点电压VN，必须知道三个绕组端对地电压(电位)，这可由TMS320LF2407内的ADC来实现，电流检测采用分流电阻来实现。分流电阻安装在功率驱动桥的下端，与功放板地线之间，选定的阻值具有功放板达到允许的最大电流时，激活过流保护功能，这些信号在模数转换之前都要通过放大电路放大一定的倍数，以覆盖整个模数转换范围。
三、程序框图
现给出ADC中断子程序框图(如图2所示)和更新比较值或换相子程序框图(如图3所示)。
图2 ADC中断子程序框图
图3 更新比较值或换相子程序框图
四、系统软件编程的关键
1. 反电动势的计算
每50μs对三个绕组的端电压采样一次，通过ADC转换成数字量，据据式(1)求得中性点电压VN。因为DSP的乘法运算比 除法运算快得多，在计算中性点电压是不除以3，而是保留3倍的中性点电压值，在用式(2)计算感应电动势时，使用3倍的端电压与3倍的中性点电压值相减，从而得到3倍的感应电动势值。因为对感应电动势的大小不感兴趣，而只对感应电动势的符号变化感兴趣，所以直接用3倍的感应电动势值来判断符号的变化，而省去除法运算，缩短运算时间，进一步提高实时处理能力。
2. 电动机的启动
无位置传感器无刷直流电动机在静止或低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子的位置。因此，无位置传感器无刷直流电动机存在启动问题。在本系统中采用磁定位的方法启动无位置传感器无刷直流电动机。启动时，对任意两相通电，使其转到与定子磁场一致的位置。通过一个延时来等待电动机轴停止振荡。在磁定位期间，不对速度进行调节，不对延迟时间进行估算，其他操作与正常时一样。
3. 换相时刻的定位
过零点与换相点间隔300，这就是说在测得过零点后，还要延迟一时间才能换相。在程序中，延迟时间是采用以下方法估算的：测得转子刚转过一转所用的时间，将这个时间除以12就可以得到转过300所用的平均时间，用这个平均时间作为一转的6个过零点与相应的换相点之间的延迟时间。由于速度可以表示为dφ/dt，所以这实际上，也同时得到了电动机的平均转速。
4. 换相干扰的滤除
换相的瞬间会产生很强的电磁干扰， 这时检测电压容易产生较大的误差，又因为换相后感应电动势不会立即进入过零点，所以在换相后加一个延时，经延时后再进行电压的检测。
五、结语
本文提出基于TMS320LF2407A的无位置传感器无刷直流电动机控制的设计方案，充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的片内外设资源，保证了控制的实时性，有效地简化了硬件设计，使系统的结构更加简洁、紧凑，具有低成本、低功耗特点，特别适合在家用电器产品中应用。同时，也可推广到其它工业应用领域，如机床、机器人和电梯驱动等。
(end)
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(9/30/2006) |
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