直流电机控制系统硬件设计

基于TMS320无位置传感器无刷直流电机控制系统

摘要

这种无刷直流电机（BLDC）因具有高速度、高功率密度电机的特点而被越来越广泛的应用于工业区中。BLDC电机需要用位置和速度传感器控制。然而，位置传感器从尺寸，成本，维护和可靠性的观点考虑不是理想的选择。有一些不同的方法，可以解决这个问题，如根据磁通分布。本文介绍了一种无位置传感器无刷直流电机控制系统。采用反电动势来检测转子位置。反电动势在电动机起动过程中是非常微小的，并且很难有效地获得转子位置。转子的本文提出了一种重新设置的方法，闭环电流用于确保电机起动过程中的高速和安全问题。设计一个合适速度和电流双闭环系统，速度和电流通过数字信号处理器（DSP）来调节。通过软件提供一种简单的算法来计算电机的转速，间接简化了系统的硬件结构。本文对无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计的硬件结构和软件设计进行了详细的阐述。仿真和实验的结果显示了无位置传感器控制系统的有效性和所获得的位置信号的精度检测。

关键词

无速度传感器，无刷直流电动机，反电动势，数字信号处理器

一、引言

无刷直流电机（BLDC）电机已应用于生产实践中由于其效率高、可控性好已被应用于生产实践中。无刷直流电机是一种新型的机电一体化电机，它需要一个逆变器和位置传感器来代替与电刷和换向器直流电机电子换向的执行。通常，由三个霍尔传感器作为无刷直流电机的转子位置传感器。然而从系统总成本，尺寸和可靠性的角度来看，转子位置传感器会带来几个缺点。因此，要消除这些传感器的电机无位置传感控制，即[ 1 ]。近年来，人们对无位置传感器无刷直流电机进行了研究。电机的转子位置信号由电机的电压、电流、基本方程、代数运算、反电动势，观察员，等来检测[24]。在这些转子位置的估计方法中，反电动势估计是一个最典型的方法。然而，电机的反电动势在起动过程中过小，并且换相点不容易实现，因此，传统的无位置传感器驱动器需要一个复杂的启动程序[4-6]。本文提出了一种基于转子设定方法的转子设定方法。在电机启动过程中应用闭环电流。该方法使系统可以快速和安全地启动。双闭环控制系统是利用一个400W，300V，10极无位置传感器无刷直流电机来实施的。该控制算法已经通过软件在数字信号处理器（DSP）（TMS320F240）上编辑。仿真和实验结果显示了在电机启动过程中精度侦探的位置信号和所提出的重新设定方案的有效性。

二、反电动势过零检测的方法

反电势过零检测方法是用来获取转子的位置信号。该方法是转子位置检测的一种最适用的方案。无刷直流电机通常采用由一个六步骤不连续的逆变器，如图1所示。

图1.直流电机的主要电路

无刷直流电机的气隙磁通密度分布图是一个梯形，由此引起势在定子绕组的反电动势分布也是一个梯形。图2是理想的反电动势和无刷直流电机工作在两个阶段的功率是六步换流时间的相电流波形。理论上，转子的六个关键位置可以通过检测反电动势过零点来估计。转换开关瞬间可以通过了解零交叉反电动势和速度依赖性的时间延迟得到。

如图2所示，在每60°电角度开放的过程中，相反的电动势波形有一个零交叉点位于梯形锥的中点位置。电机转动的每一个周期中，每一相的反电动势，有二个零交叉点。通过监测在非相相位反电动势，反电动势过零延迟30°后是真实的换相点，在换相点完成对逆变器的控制。

图2.理想反电势和电机的相电流波形

三、起动方法

由于反电势的振幅与转速成正比，不可能在静止或低速状况下检测反电动势信号。通常情况下，反电动势是在电机启动过程中失效，对于无位置传感器无刷直流电机驱动适当的启动程序是必要的。预先设定的方法是直接将电流注入到两相预绕组，使转子稳定的两相绕组复合到磁力轴位置。这个位置是转子初始位置和所期望达到的位置。如图3所示（一），接通A

相和B相定子绕组，并断开C相，使转子在FA的方向。由于转子位置的不确定性，如果转子的位置如图3（b），它将不能旋转到如图3（a）的位置，图b这种定位称为故障定位。为了解决这个问题，本文提出了重新设置这种方法。该方法确保了转子可达到所需的位置。转子初始位置的设定后，电机起动过程中采用电流闭环控制。

图3.电机的起动过程

起动过程分为四个步骤：

1.首先，接通A相和B相绕组，并断开C相。它会持续一定的时间来完成预先设定。然后，转子的可能位置如图3所示（一），或在图3（b）。其次，接通A相和C相绕组，并断开B 相，这种状态持续一定的时间来实现重新设置。不论预先设定成功还是失败，转子都将旋转到如图3（c）所示位置。

2.在设定启动算法时需要换向延迟时间来使转子旋转60°电角度。这个时间段是通过软件延时控制的，是不变的。

3.根据电机转动到下一个状态时两相绕组的开关方向。根据裁定减刑（BA（电流从B到A）→CA→CB→AB→AC→BC）和电机完成换向的周期，让转子顺时针旋转，。同时系统采用闭环电流控制算法来调节PWM占空比，控制输出电压。

4.采用反电动势过零检测方法，转子在旋转一个周期后应该具有一定的转速。两个周期后，转速可以由位置检测信号估计得到；时间也可以由转子旋转每60°电角度即用于更新预先设定的时间来计算。此时系统进入无位置传感器闭环状态。

四、系统配置

图4描述了无位置传感器无刷直流电机控制系统的配置。该系统的速度和电流是双闭环。外层是速度环，可在速度误差观测的基础上连续调整速度值。积分环节PI调节器用于速度环。内部电流环，确保电机在最大允许电流范围内启动，并使系统在电流实际值偏离期望值的情况能使电流值连续。电流环采用一个PI调节器来改善控制系统的动态性能，。TMS320F240具有高速的运算能力，可以实现转速和电流的双数字调节。这不仅可以消除大部分的模拟设备，而且提高了系统的可靠性。

图4 .一种无位置传感器无刷直流电机系统的配置

五、硬件设计

该系统采用TMS320F240系统微控制器和无位置传感器无刷直流电动机双闭环控制系统的。由于TMS320F240将电机控制系统大量外围电路整合，因此系统的外部电路是非常简单的。系统的硬件配置如图5所示。

图5.一种无位置传感器无刷直流电机系统的配置

系统硬件包括电机，电源电路，端电压检测器，电流取样器，过流检测，电压采样，隔离器，IPM故障检测器和TMS320F240。

TMS320F240提供一个高性能的10位模数转换器（ADC），这个模数转换器提供了16路模拟量输入，可以对电压和电流进行实时采样。系统没有速度检测部分。根据转子位置信号，一个简单的算法用来间接计算转速，该算法由DSP来实现。它简化了系统的硬件结构，使系统更加经济、可靠。TMS320F240提供了一个已充分用于数字电机控制和功率转换的事件管理模块。该系统采用事件管理模块产生6的PWM输出，通过隔离及驱动电路来控制电源开关的打开或关闭，以实现电机的正确换相。

a.转子位置检测电路

由于反电动势是很难直接获得的，过零检测反电动势是由三相绕组的起动电流和起动转矩间接查明的。图6是用A相绕组端电压检测电路。

将端电压UA通过分频电路，滤波电路，过零检测电路，光耦隔离电路后输入到DSP的I/O 端口。当变频器采用PWM模式时，端电压波形也是PWM波，PWM波通过滤波器后可变平滑。为了保证DSP的安全，输入I / O端口的电压应低于5V。检测信号必须通过隔离电路发送到DSP。

图6 .端电压检测

b.电源电路

电源电路由交流/直流转换器，滤波器，逆变器等组成。为了减少直流脉冲，用一个大电容在交流/直流转换器的输出端口进行滤波。功率开关器件采用智能功率模块（IPM）和频率为10kHz的开关。如果逆变器输出电压调整了，那么无刷直流电机的电流值也将改变，电磁转矩也发生调整。当电磁转矩等于负载转矩时，电机的转速就达到了给定值。

为了使控制器的控制信号通过隔离电路输入IPM模块。将IPM模块控制电路的一个终端连接到高电压的主电路，另一个终端连接到由控制器所产生的低压控制信号。图7是一个功率单元的隔离电路。驱动信号UU 通过hcpl4504输出，然后输入到IPM智能功率模块驱动电路终端，而使相应的功率元件的开关被控制。

C.保护电路

系统保护电路包括过电压，过电流和IPM故障检测电路。当电流变化很快时，本文设计了一个电流检测电路，通过硬件中断实现过流保护。母线电压的变化相对比较慢，所以只设计了电压采样电路，过电压保护装置在软件设计中完成实现。

IPM智能功率模块（三菱PM50RSA120）的系统，是孤立的设计功率开关应用基础模块。内置的控制电路为IGBT和自由轮二极管功率器件提供最佳的栅极驱动和保护。一旦IPM发生错误，它可以自动换挡。一段时间之后，IPM会自动恢复，IPM故障信号被送入DSP。图8是IPM故障检测电路。一旦IPM故障发生，信号IPMERROR通过TLP521输入DSP。DSP将采取适当措施的限制IPM的驱动信号。采用双保护设计将提高系统的可靠性，。

d.直流电流和电压采样电路

将两个电流传感器（lap-25）放置在两个相绕组上，可以对电机相电流进行检测。这两种电流A相和B相可以通过检测得到，而C相电流值可以通过计算得到。

由于电流传感器输出的电流可以是正的也可以是负的。为了使这些电流输入DSP的通过低

通滤波器，A / D转换单元，零电位移位器和限幅电路，他们必须转换成电压信号。电流采样电路如图9所示。

图9。电流采样电路

定子的电流波形和转子位置信号如图10所示。根据转子的位置信号，两个带电绕组中的一个相电流作为反馈电流。作为反馈电流的电流方向应该保持不变。用一个电流环来实现对电流的控制，简化了系统的硬件结构，也使调试变得容易。位置信号和电流反馈的对应如表一所示。

直流母线电压的采样，主要目的是为了保护整个系统的过压或欠压，但不参与运动控制算法的计算。直流电压由电压传感器lvp-25检测。电压采样电路和电流采样电路相似。

图10.理想的电流波形和转子位置信号

表一

电流反馈和转子位置信号

六、软件设计

整个软件程序采用DSP汇编语言。该软件包括三个部分：主程序，定时器1下溢中断（T1UFINT)，IPM保护和过流保护中断。

A.主程序

B.Timer1下溢中断

C.保护和过流保护中断

七、结果和结论

A.模拟结果

B.实验结果

C.结论

参考文献

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