- 無位置傳感器無刷直流電動機的控制
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2011/5/4
一般三相無刷直流電機是在定子上安裝位置傳感器來檢測轉子相對于定子所處的位置，并根據檢測到的位置信號來決定電機換相輸出。因此需要在電機上安裝三個霍爾傳感器來檢測轉子位置，不僅增加了電機工藝的復雜性，而且增加了電機成本和電機故障率，也增加了幾根位置傳感線到控制器上，給電動機整機安裝帶來不便。三相無位置傳感器無刷直流電動機控制系統不需要在無刷直流電機上安裝位置傳感器，它檢測三相無刷電機的三相電機線上的反電動勢，根據此反電動勢信號來通過DSP計算出電機轉子目前相對于定子的位置，進而決定電機換相輸出，因此省去了一般無刷直流電機上的三個霍爾位置傳感器，從而減少了電機成本和故障率。
在本文介紹的控制系統中，采用TMS320LF2407A DSP芯片作為控制器。該芯片內部集成了前端采樣A/D轉換器和后端PWM輸出硬件，將DSP的高運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，具有電機控制方面無可比擬的優(yōu)點。
一、系統的控制原理
1. 無位置傳感器無刷直流電動機的工作原理
在直流無刷電動機中,任何時刻三相中只有兩相被激勵。例如：A相中電流在00～1200和1800～3000期間流動，而在1200～1800和3000～3600期間，A相不通電。每一相的反電動勢是梯形的，有兩個穩(wěn)定電壓的1200區(qū)間，不通電相的反電動勢可以被測出，間接得到轉子位置�；谵D子位置，建立三相逆變橋的功率器件的換向順序，功率器件被每600有順序地換向。
2. 反電動勢法檢測轉子位置原理
三相無刷直流電動機在工作時，每相繞組都會產生感應電動勢，電動機每轉600就需要換相一次，所以在此之前被截斷電流的某相繞組的感應電動勢要反相，從而通過零點。直流電動機每轉一轉需要換相6次，所以三相繞組每轉一轉共有6個過零點，每相兩個過零點。當得知某相的過零點的時刻后，將其延遲300就可以得到所需要的換相信號。反電動勢法檢測轉子位置法是利用這一原理來實現位置檢測。
圖1 基于DSP的無位置傳感器無刷直流電動機的控制和驅動結構框圖
用反電動勢法檢測轉子位置的關鍵是找出過零點時刻。在圖1中，依據基爾霍夫的回路電壓定律可以得到以下結果：
任何時刻電動機三相繞組之間電壓矢量和為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)
即任何時刻電動機三相繞組的端點電位之和等于3倍中性點的電位。對于截斷電流的某一相X，電流為0，截斷電流前的端點電位為VX，根據反電動勢的定義，該相的反電動勢EX：
EX=－K(VX－VN)(2)
K為常數，其大小取決于電動機的電感量和電流的變化率。所以，可以根據(VX－VN)得到反電動勢的過零點，然后用軟件移相得到換相時刻并使逆變橋以合適的時序工作，從而保證電動機的正常運行。
二、系統的硬件組成
在圖1所示的基于TMS320LF2407A的無刷直流電動機控制系統中，采用TMS320LF2407A作為控制器，處理采集到的數據和發(fā)送控制命令，檢測轉子的轉動位置，并根據轉子的位置發(fā)出相應的控制字來改變PWM信號的當前值，從而改變直流電機驅動電路中功率管的導通順序，實現對電動機轉速和轉動方向的控制。其端口IOPC口用于按鍵命令， IOPE口用于點亮相關的信號指示燈。PWM信號通過驅動放大后，加在開關陣列。在系統的運行過程中，驅動保護電路會檢測當前系統的運行狀態(tài)。如果系統中出現過流或欠壓情況，會啟動DSP控制器的電源驅動保護，實現控制系統的DSP芯片和驅動電路的保護。
功率驅動電路
采用三相全控橋式的控制方式。功率MOSFET管采用IRFP054N，并采用IR2130作為全控橋的驅動電路。
IR2130芯片可同時控制六個大功率管的導通和關斷順序，通過輸出HO1，2，3分別控制三相全橋驅動電路的上半橋V1、V3、V5的導通關斷，而IR2130的輸出LO1，2，3分別控制三相全橋驅動電路的下半橋V2、V4、V6的導通關斷，從而達到控制電機轉速和正反轉的目的。IR2130芯片內部有電流比較電路，可以進行電機比較電流的設定。設定值可以作為軟件保護電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對不同功率的電機的控制。
轉子位置檢測和電流檢測電路
轉子位置檢測采用反電動勢檢測的無傳感器控制，為了計算中性點電壓VN，必須知道三個繞組端對地電壓(電位)，這可由TMS320LF2407內的ADC來實現，電流檢測采用分流電阻來實現。分流電阻安裝在功率驅動橋的下端，與功放板地線之間，選定的阻值具有功放板達到允許的最大電流時，激活過流保護功能，這些信號在模數轉換之前都要通過放大電路放大一定的倍數，以覆蓋整個模數轉換范圍。
三、程序框圖
現給出ADC中斷子程序框圖(如圖2所示)和更新比較值或換相子程序框圖(如圖3所示)。
圖2 ADC中斷子程序框圖
圖3 更新比較值或換相子程序框圖
四、系統軟件編程的關鍵
1. 反電動勢的計算
每50μs對三個繞組的端電壓采樣一次，通過ADC轉換成數字量，據據式(1)求得中性點電壓VN。因為DSP的乘法運算比 除法運算快得多，在計算中性點電壓是不除以3，而是保留3倍的中性點電壓值，在用式(2)計算感應電動勢時，使用3倍的端電壓與3倍的中性點電壓值相減，從而得到3倍的感應電動勢值。因為對感應電動勢的大小不感興趣，而只對感應電動勢的符號變化感興趣，所以直接用3倍的感應電動勢值來判斷符號的變化，而省去除法運算，縮短運算時間，進一步提高實時處理能力。
2. 電動機的啟動
無位置傳感器無刷直流電動機在靜止或低速時，反電動勢為零或很小，很難通過反電動勢來檢測轉子的位置。因此，無位置傳感器無刷直流電動機存在啟動問題。在本系統中采用磁定位的方法啟動無位置傳感器無刷直流電動機。啟動時，對任意兩相通電，使其轉到與定子磁場一致的位置。通過一個延時來等待電動機軸停止振蕩。在磁定位期間，不對速度進行調節(jié)，不對延遲時間進行估算，其他操作與正常時一樣。
3. 換相時刻的定位
過零點與換相點間隔300，這就是說在測得過零點后，還要延遲一時間才能換相。在程序中，延遲時間是采用以下方法估算的：測得轉子剛轉過一轉所用的時間，將這個時間除以12就可以得到轉過300所用的平均時間，用這個平均時間作為一轉的6個過零點與相應的換相點之間的延遲時間。由于速度可以表示為dφ/dt，所以這實際上，也同時得到了電動機的平均轉速。
4. 換相干擾的濾除
換相的瞬間會產生很強的電磁干擾， 這時檢測電壓容易產生較大的誤差，又因為換相后感應電動勢不會立即進入過零點，所以在換相后加一個延時，經延時后再進行電壓的檢測。
五、結語
本文提出基于TMS320LF2407A的無位置傳感器無刷直流電動機控制的設計方案，充分利用了DSP的高速運算能力和豐富的片內外設資源，保證了控制的實時性，有效地簡化了硬件設計，使系統的結構更加簡潔、緊湊，具有低成本、低功耗特點，特別適合在家用電器產品中應用。同時，也可推廣到其它工業(yè)應用領域，如機床、機器人和電梯驅動等。
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