《电子技术应用》

基于DSP 的无位置传感器的直流无刷电机控制系统

2011/1/9 0:00:00

  0 引言[1]

  传统上把具有梯形波反电势的永磁同步电机称为直流无刷电机。直流无刷电机的转矩控制需要转子位置信息来实现有效的定子电流控制。而且,对于转速控制,也需要速度信号,使用位置传感器是直流无刷电机矢量控制的基础,但是,位置传感器的存在也给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便 :首先,位置传感器会增加电机的体积和成本;其次,

  连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性,即便是现在应用最多的霍尔传感器,也存在一定程度的磁不敏感区;再次,在某些恶劣的工作环境、例如在密封的空调压缩机中,由于制冷剂的强腐蚀性 ,常规的位置传感器根本无法使用;最后,传感器的安装精度还会影响电机的运行性能,增加了生产的工艺难度。

  为了降低硬件的成本和复杂性、增加机械鲁棒性和驱动系统的可靠性和减少维护的需要,又不增加系统惯量并能减小噪音的要求,最理想的就是取消矢量控制系统中的位置传感器。

  所谓无位置传感器的直流无刷电机控制技术 ,正确的理解应该是无机械的位置传感器控制技术。在电机运转的过程中,作为控制逆变器换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的,只不过这种信号不再由机械式的位置传感器来提供,而由新的位置检测信号电路来代替、即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以,直流无刷电机无位置传感器控制技术的核心和关键就是构建一个转子位置信号检测电路,从软、硬件两个方面来间接获得正触发相应的逆变器,从而驱动电 确的转子位置信号,机运转。要做到精确控制需要相当复杂且快速的运算,一般的微处理是器难以实现的,但是,数字信号处理器以其强大的运算功能使这种控制方式成为现实。

  1 基于反电势的转子位置检测方案[2]

  直流无刷电机的反电势幅值是与位置相关的。这样,如果它可以精确地检测到,就可以得到实时的精确转子位置,从而用来控制逆变器的开关方式。这种方法的缺点是:电机静止或低速时的反电势信号为零或很小,难以得到有效的换向信号,因此系统的低速性能差,电机启动需要特别的硬件电路或专门的软件启动方法。

  当电机速度大于零时,每个电周期内某相反电势为零的位置只有两个,可以从图1 所示通过过零点时反电势的斜率来区分这些位置,每一段对应电周期内的60°区间。换向发生在每一段的边界处,反电势过零点和需要换向的位置之间有30°的偏移,需要对其进行补偿。

  

  图1反电势过零点

  在任一时刻只有两相通电,且流经这两相的电流相反,图2 所示为W 相用于反电势检测时的情况。当U 相内流经正向电流(定义为流向星型连接中心点的电流),V 相内流经负相电流时,对应图1 中区间6Q和1Q时,此置位的1动作。假设通电相的两端总是对称地分别连接到DC 电源地两个端点上,则星型连接中心点的电压总是1/2VDC,与加在这两个通电相绕组上的电压极性无关。但是,只有在每相的R、L 和反电势

  都相同,且每相的开关管压降都相等的情况下,星型连接中心点的电压值才为1/2V DCC。假设现在的情况就是这样,反电势过零点将被偏置1/2V DC。

  

  上述方法很容易通过硬件实现,即通过分压电路对三相的端电压和VDC 分别进行采样,并将采样值送入比较器的比较端口,得到的过零点时刻即为1/2VDC 的时刻。使用一个可用的定某相反电势经过时器测量60°(即两次反电势过零点之间)的时间。将这个值除以2,然后加载到另一个定时器中,这样就可以补偿正确换向所需的30°偏移量。

  2 DSP 控制方案的系统实现[3] [4]

  2.1 TMS320LF240x 芯片简介

  TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司为满足大范围的数字电动机控制(DMC)应用而设计的。该芯片具有高性能的16 位定点DSP 内核,采用改进的哈佛总线结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,具有30MIPS 的处理能力,大多数指令在单周期内即可执行完成。同时,该芯片集成了丰富的片内外设,包括事件管理器、模数转换器(ADC )、串行通信接口(SCI)和串行外部设备接口(SPI)、系统保护(如低电压检测和看门狗定时器)等。TMS320LF240x 可以实现用软件取代模拟器件,完成复杂的控制算法,方便地修改控制策略,修正控制参数,能满足无传感器直流无刷电机控制系统对实时控制的要求。

  2.2 DSP 控制系统的硬件实现

  图3 是根据前述控制原理设计的基于DSP 的直流无刷电机控制系统。该系统主要由直流无刷电机、功率变换器电路、电机转子位置检测电路、各种保护电路以及以TMS320LF240x 为核心的数字控制器等构成,其中功率变换器电路由整流滤波电路、逆变器电路(IPM 功率模块)和相应的保护电路组成。

  

  图3 DSP 控制系统

  逆变器电路中的IPM 模块集成了多种保护功能,如过电压保护、欠电压保护以及过流保护等,当达到保护阈值时,IPM 模块通过FO 引脚输出一个低电平信号,并将此低电平信号送入DSP 的PDPINTx 引脚,触发功率驱动保护中断,将所有PWM 输出引脚设置为高阻态,以此来关断驱动信号,起到保护电路的作用。

  转子位置检测电路采用1/2 电压采样法来实现,对电机的三相端电压及直流母线电压分别进行采样,并将采样结果送入比较器进行比较,从而得到过零点的时刻,其结果送入DSP 的捕捉端口中。

  0 引言[1]

  传统上把具有梯形波反电势的永磁同步电机称为直流无刷电机。直流无刷电机的转矩控制需要转子位置信息来实现有效的定子电流控制。而且,对于转速控制,也需要速度信号,使用位置传感器是直流无刷电机矢量控制的基础,但是,位置传感器的存在也给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便 :首先,位置传感器会增加电机的体积和成本;其次,

  连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性,即便是现在应用最多的霍尔传感器,也存在一定程度的磁不敏感区;再次,在某些恶劣的工作环境、例如在密封的空调压缩机中,由于制冷剂的强腐蚀性 ,常规的位置传感器根本无法使用;最后,传感器的安装精度还会影响电机的运行性能,增加了生产的工艺难度。

  为了降低硬件的成本和复杂性、增加机械鲁棒性和驱动系统的可靠性和减少维护的需要,又不增加系统惯量并能减小噪音的要求,最理想的就是取消矢量控制系统中的位置传感器。

  所谓无位置传感器的直流无刷电机控制技术 ,正确的理解应该是无机械的位置传感器控制技术。在电机运转的过程中,作为控制逆变器换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的,只不过这种信号不再由机械式的位置传感器来提供,而由新的位置检测信号电路来代替、即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。所以,直流无刷电机无位置传感器控制技术的核心和关键就是构建一个转子位置信号检测电路,从软、硬件两个方面来间接获得正触发相应的逆变器,从而驱动电 确的转子位置信号,机运转。要做到精确控制需要相当复杂且快速的运算,一般的微处理是器难以实现的,但是,数字信号处理器以其强大的运算功能使这种控制方式成为现实。

  1 基于反电势的转子位置检测方案[2]

  直流无刷电机的反电势幅值是与位置相关的。这样,如果它可以精确地检测到,就可以得到实时的精确转子位置,从而用来控制逆变器的开关方式。这种方法的缺点是:电机静止或低速时的反电势信号为零或很小,难以得到有效的换向信号,因此系统的低速性能差,电机启动需要特别的硬件电路或专门的软件启动方法。

  当电机速度大于零时,每个电周期内某相反电势为零的位置只有两个,可以从图1 所示通过过零点时反电势的斜率来区分这些位置,每一段对应电周期内的60°区间。换向发生在每一段的边界处,反电势过零点和需要换向的位置之间有30°的偏移,需要对其进行补偿。

  

  图1反电势过零点

  在任一时刻只有两相通电,且流经这两相的电流相反,图2 所示为W 相用于反电势检测时的情况。当U 相内流经正向电流(定义为流向星型连接中心点的电流),V 相内流经负相电流时,对应图1 中区间6Q和1Q时,此置位的1动作。假设通电相的两端总是对称地分别连接到DC 电源地两个端点上,则星型连接中心点的电压总是1/2VDC,与加在这两个通电相绕组上的电压极性无关。但是,只有在每相的R、L 和反电势

  都相同,且每相的开关管压降都相等的情况下,星型连接中心点的电压值才为1/2V DCC。假设现在的情况就是这样,反电势过零点将被偏置1/2V DC。

  

  上述方法很容易通过硬件实现,即通过分压电路对三相的端电压和VDC 分别进行采样,并将采样值送入比较器的比较端口,得到的过零点时刻即为1/2VDC 的时刻。使用一个可用的定某相反电势经过时器测量60°(即两次反电势过零点之间)的时间。将这个值除以2,然后加载到另一个定时器中,这样就可以补偿正确换向所需的30°偏移量。

  2 DSP 控制方案的系统实现[3] [4]

  2.1 TMS320LF240x 芯片简介

  TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司为满足大范围的数字电动机控制(DMC)应用而设计的。该芯片具有高性能的16 位定点DSP 内核,采用改进的哈佛总线结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,具有30MIPS 的处理能力,大多数指令在单周期内即可执行完成。同时,该芯片集成了丰富的片内外设,包括事件管理器、模数转换器(ADC )、串行通信接口(SCI)和串行外部设备接口(SPI)、系统保护(如低电压检测和看门狗定时器)等。TMS320LF240x 可以实现用软件取代模拟器件,完成复杂的控制算法,方便地修改控制策略,修正控制参数,能满足无传感器直流无刷电机控制系统对实时控制的要求。

  2.2 DSP 控制系统的硬件实现

  图3 是根据前述控制原理设计的基于DSP 的直流无刷电机控制系统。该系统主要由直流无刷电机、功率变换器电路、电机转子位置检测电路、各种保护电路以及以TMS320LF240x 为核心的数字控制器等构成,其中功率变换器电路由整流滤波电路、逆变器电路(IPM 功率模块)和相应的保护电路组成。

  

  图3 DSP 控制系统

  逆变器电路中的IPM 模块集成了多种保护功能,如过电压保护、欠电压保护以及过流保护等,当达到保护阈值时,IPM 模块通过FO 引脚输出一个低电平信号,并将此低电平信号送入DSP 的PDPINTx 引脚,触发功率驱动保护中断,将所有PWM 输出引脚设置为高阻态,以此来关断驱动信号,起到保护电路的作用。

  转子位置检测电路采用1/2 电压采样法来实现,对电机的三相端电压及直流母线电压分别进行采样,并将采样结果送入比较器进行比较,从而得到过零点的时刻,其结果送入DSP 的捕捉端口中。

  2.3 DSP 控制系统的软件设计

  本控制系统采用速度、电流双闭环的控制结构。由于采用了面向电机控制的高速DSP,无论是速度环的设计,还是电流环的实现,以及各种反馈信号的处理和PWM 控制信号的产生,均采用了数字信号处理技术,用软件实现硬件电路的功能,完成直流无刷电机的实时控制。

  控制系统的软件设计主要包括DSP 初始化程序和电机控制程序两部分。DSP 初始化程序主要完成系统时钟的设定,中断向量的定义,I/O 端口的初始化,控制寄存器的设置以及各功能模块的初始化等;电机控制程序主要负责电机的启动控制、速度电流双闭环控制、系统监控和故障处理等,因此电机控制程序包括启动子程序、电流和位置检测中断服务子程序、速度控制子程序、电流控制子程序、PWM 调制子程序以及系统监控和故障处理子程序等。

  进行各种反馈信号的检测是构成双闭环控制的前提。位置信号、电流信号的检测分别由位置检测中断服务程序和电流检测中断服务程序来实现,转速的检测通过软件计算间接获得。为了提高系统的动态性能和稳态精度,本系统电流环采用PID 调节器, 速度环采用遇限削弱积分分离PI 控制算法。其控制环路简图如图4 所示。

  

  图4 电流和速度控制环路

  PWM 调制子程序根据检测到的转子位置信号和电流信号通过事件管理器(EV)产生PWM 调制信号。通过定时器控制寄存器TxCON 中的位模式将通用定时器的计数模式设置为连续增/ 减计数模式以产生对称的PWM 波形。另外,TMS320LF240x 的事件管理器具有可编程的死区单元,通过死区定时器控制寄存器(DBTCONx )设置死区时间,从而避免逆变器同一桥臂上的两个功率器件发生直通故障。

  2.4 电机的启动方案

  由于直流无刷电机在静止及低速运行时难以正确检测反电势信号,因此必须解决电机在静止状态下启动的问题。以往曾有多种启动方法,但有的要增加复杂的启动电路,有的则要与电机特性联系密切, ,实现起来难度较大、且可靠性较低。

  本系统采用三段式的方法单纯利用软件来实现电机启动,将电机的启动过程分为预定位、强制运行与同步切换三个阶段。在电机静止时,转子的初始位置未知,需要给设定的两相电枢绕组通以短暂的电流,使转子磁极稳定在这两相绕组合成磁场的轴线上,以此作为转子磁极初始位置(即预定位)。然后按定、转子磁极间正确的空间相位关系使相应的功率器件导通,并以固定的时间进行模式切换,在这段时间内反电势幅值较小,不宜进行过零检测。随着电机转速逐渐升高,反电势也逐渐增大,当反电势升高到一定程度时,通过端电压检测就可以正确检测到转子位置,此时开启过零检测模块,当连续多次正确检测到过零点之后,就可从开环强制运行阶段切换到闭环同步运行阶段,从而完成整个启动过程。

  3实验结果

  将前述控制方案应用在直流变频空调压缩机系统上进行实验验证,电机极对数为2,PWM 载波频率设为5 kHz,最大输出功率为2 kW,调速范围为15~ ~110 Hz 。实验证明,该系统启动平稳,调速控制系统实时性好,具有良好的控制性能。图5 是无刷直流电机三相电压的波形,图6 是无刷直流电机三相电流的波形,从波形图中可以看出,输出波形具有较高的质量,从而表明该系统采用的控制策略和算法的可行性和和实用性。

  

  图5 三相电压波形

  

  图6 三相电流波形

  4结语

  直流无刷电机具有效率高、功率密度大、功率因数高、体积小、控制精度高等优点,其应用范围非常广泛。直流无刷电机的控制技术正在从传统的有位置传感器的闭环PID 控制过渡到无位置传感器的智能控制,其调速范围、转矩脉动、系统鲁棒性等性能都在不断提高。

  在充分利用了TMS320LF240x 的强大实时计算能力和片内丰富的集成器件的基础上,设计了基于DSP 的无位置传感器直流无刷电机的控制方案,并给出了控制系统的软、硬件结构。该控制系统具有良好的控制性能和调速性能,可以获得较好的动态特性和较高的稳态精度,运行效率高,抗干扰能力强,具有较高的实际应用价值。

  作者简介:

  梁博(1978-), 男,工程师,清华大学精密仪器系2000 届毕业生,现工作于珠海格力电器研究院,主要研究方向为电力电子技术。

  参考文献:

  [1] 陈伯时,陈敏逊。 交流调速系统[M]。 北京:机械工业出版社,2000.

  [2] 张琛。 直流无刷电动机原理及应用[M]。 北京:机械工业出版社,1996.

  [3] TM S320LF240xA DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals [Z]。 Texas Instruments Inc Literature Number: SPRU357B, 2001。

  [4] Implementation of a Sensorless Speed Controlled Brushless DC DriveUsing TMS320LF240[Z].TexasInstrumentsInc Literature Number: SPRA072, 1997.

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