基于DSP的直流无刷电机控制技术研究

4　结束语由PMAC 和嵌入式计算机构成的机器人控制系统,经过近一年的研制和调试,实现了远程控制机器人对于输电线路维护与检修的基本功能要求,该系统的成功研制得到了审查专家的认可,并且还在进一步地完善中。

参考文献:[1]　吴功平,等.输电导线机械破损的红外检测与故障诊断[J ].仪器仪表学报,1999,2(6):571-574.[2]　戴锦春,等.高压输电线破损的红外故障诊断系统[J ].武汉水电大学学报,1998,31(2):61-64.[3]　蔡自兴.机器人学[M ].北京:清华大学出版社,2000[4]　李小坚,谭　民.自动化理论、技术与应用先进机器人与集成系统技术[M ].北京:西苑出版社,1999.[5]　郭丙华.移动机器人计算机控制[J ].计算机测量与控制,2003,11(10):749-750,766.[6]　PmacPC hardware preference [Z ].Delta Tau DataSystem ,Inc.2003.[7]　葛伟亮,等.电磁控制元件[M ].北京:北京理工大学出版社,2001.[8]　单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M ].北京:北京国防工业出版社,1999.作者简介:李　伟　(1963-),男,湖南汨罗人,湖北工业大学机械工程学院高级工程师,主要从事测试技术、故障诊断研究。

基于DSP 的直流无刷电机控制技术研究吴雪梅,景占荣,史永奇(西北工业大学,陕西西安710072)Study of Cont rol Technology for Brushless DC Electromotor Based on DSPWU X uemei ,JING Zh an rong ,SHI Yongqi(Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an 710072,China ) 摘要:围绕无位置传感器直流无刷电机控制中的2个关键技术———位置检测和起动进行了研究,提出了将瞬时状态检测和预测估计相结合的电机转子位置检测方法和“三段式”起动,并应用于以TMS320L F2402A 为核心的控制系统中,给出了试验结果,证明了该位置检测方法的正确性和有效性。

关键词:无位置传感器;直流无刷电机;位置检测;起动中图分类号:TM921.54文献标识码:A文章编号:10012257(2005)03005003收稿日期:20041231Abstract :This paper mainly st udied two pivot 2al techniques of brushless DC elect romotor wit hout po sition sensorpo sition detection and start.We p resented a new rotor po sition detection met h 2od which was instantaneous state detection com 2bined wit h state p redict and “t hree sect ”startmet hod.The designed system was based on DSP TMS320L F2402A ,and provided some experimen 2ted result s.The result s showed t he correct ness and effectiveness of t he met hod.K ey w ords :sensorless ;brushless DC elect ro 2motor ;po sition detection ;start0　引言无刷直流电机以其高效率、结构紧凑、易维护和调速性能好等一系列优点得到越来越广泛的应用,但传统的无刷直流电机需要位置传感器来实现电机的换相,如霍尔器件(H ED )、光学编码器和旋转变压器等,这些传感器有的分辨率低或运行特性不好,有的对环境条件很敏感,潮湿和温度变化都会使性能下降,使得整个传动系统的可靠性难以得到保证。

因此,无位置传感器控制成为一个重要研究课题,针对无位置传感器直流无刷电机控制中的一些关键问题,重点研讨位置检测和起动技术。

・05・《机械与电子》2005(3)1　转子位置检测目前,对于无位置传感器直流无刷电机位置的测量,有端电压法、电流法和状态观测法等[1],但用得较多的还是反电动势法。

这种方法是通过检测反电动势的过零点来判断转子磁极的位置,从而确定逆变器中功率器件的切换时间。

虽然该方法简单、实用,但由于反电动势叠加有逆变器输出的脉宽调制波形和功率器件开关过程产生的尖峰干扰,使如何滤除混于反电动势中强干扰脉冲的问题变成了检测反电动势过零点的难点。

有很多滤除干扰的方法,但是往往使反电动势产生相移,而且这种相移因运行频率的不同而差异很大,很难通过补偿的方法校正。

由于反电动势过零点测不准,必然影响功率器件开关时间的准确度,从而影响电机的运行效率。

一种新的检测方法是将瞬时状态检测和预测估计[2]相结合,在提取反电动势时不需要滤波器,避免了相移的产生,利用大功率器件开关噪声熄灭的瞬间,对三相驱动模块的状态进行检测,从而判断转子过零点的到达时间,并利用状态预测的方法进行校正,推算三相功率器件的导通时间,这种位置检测方法精度高、抗干扰能力强,并且容易实现。

1.1　瞬时状态检测法原理采用反电动势波形为梯形的电机,采用两两导通,三相六状态的导通方式,在1个周期内(360°电角度)三相电机的6个电势过零点将转子位置分为6个区间。

对各种驱动波形进行比较后,发现60°PWM工作方式能够更好地检测到反电势过零点,在此采用这种工作方式,具体的电机控制时序如图1所示。

检测到反电势过零点后,过30°电角度进行导通模式的切换。

由于电机电抗的存在,即使某相已经截止,其仍会通过上桥或下桥的续流二极管续流,在电流持续的时间内是无法测出感应电动势的。

为了避免错误的反电势检测,将反电势检测起始点设在导通模式切换后的15°电角度处,避开导通模式切换后的续流时间。

反电势过零点的检测仅在不导通相进行,在规定的模式时刻检测,并不是连续检测,只在PWM ON期间进行,且延迟一段时间避开功率管开关干扰。

为了进一步提高检测的可靠性,可在PWM ON期间多次采样,当连续N次检测到反电势过零点,则认为正确检测到了反电势的过零点。

当检测到的过零点距离上次过零点的时间图1　无刷电机控制时序图已大于120°电角度时,认为此次检测失败,利用过零点预测估计值进行插值,维持电机正常运转。

1.2　反电势过零预测估计原理电机的运行方向确定后,其运行方式有:匀速、匀加速和匀减速。

从而可用二阶微分方程描述电机的运行规律,利用预测估计理论建立如下运动方程。

状态方程γk=γk-1+Tγk-1+T22¨γk-1(1)观测方程Z k=γk+n k(2)估计方程γk=Z k(3)变化速率^γk-1=Z k-Z k-1T+T2^γk-1(4)加速度^γk-1=1TZ k-Z k-1T-Z k-1-Z k-2T(5)预测方程^γ(k+1)/k=^γk+T^γk-1+T22^γk-1(6)式中　γk第k次过零时间γk-1,¨γk-1过零时间的速率和加速度　Z k通过反电势检测到的第k次过零时间・15・《机械与电子》2005(3)　^γk 通过Z k 对γk 的估计值　^γk -1,^γk -1 γk -1,¨γk -1的估计值　^γ(k +1)/k 利用第k 次的^γk 对第k +1次的预测值在忽略了n k 的情况下,可以认为^γk =z k 。

利用式(3),式(4),式(5)和式(6),可得:^γ(k +1)/k =3z k -3z k -1+z k -2(7)运用上式对电机位置进行预测估计。

将瞬时状态检测与预测估计相结合对反电势过零点进行检测,一旦瞬时状态检测法检测不到过零点,可以通过预测估计来获得,从而解决了位置检测失效后功率管切换问题。

即使顺利检测到过零点信号,也可以利用预测估计值对其进行校正。

这种检测方法能够更加有效地检测到反电势过零点。

2　电机起动问题由于无刷直流电机在静止及低速运行时难以正确检测到反电势,因此必须解决电机起动的2个问题:一是静止启动的问题;二是同步切换的问题。

以往存在有多种起动方法[3],但有的要增加外围电路,有的则与电机特性联系密切,系统将采用三段式[4]方法,即利用纯软件实现起动,它将电机的起动过程分为预定位、加速与同步切换3个阶段。

在电机静止时,转子的初始位置是未知的,首先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的合成磁场的轴线上,实现预定位,以此作为转子磁极初始位置,然后按定、转子磁极间正确的空间相位关系使相应的功率管导通,并以固定的时间进行模式切换,此时不进行过零检测,随着电机转速逐渐升高,反电势也逐渐增大,升高到一定值时,通过端电压检测能够确定转子的位置,启动过零检测模块,当连续N 次正确检测到过零点,就可从外同步运行阶段切换到自同步运行阶段运行。

3　基于DSP 控制的系统结构无位置传感器无刷直流电机调速系统的结构框图[5-6],如图2所示。

系统的供电部分主要分2个支路,由220V 滤波整流后,1路为电机功率模块供电,另1路经变压器降压后为控制板上的芯片供电。

由控制显示面板发送电机起、停命令及转速等参数,系统上电后如果没有重新设置,则直接从E 2PROM图2　系统结构框图中读取上一次存入的参数。

利用2402A 中的I/O(数字输入/输出模块)、EV (事件管理器模块),完成电机的位置检测和转速控制[7]。

对端电流采样送至ADC (模数转换模块),采用速度、电流双闭环控制,从而实现电机的驱动和精确调速[8]。

4　结束语对上述控制系统进行试验的结果表明该位置检测方法能够更加有效地检测到过零点,使切换时间更准确,从而提高了电机的效率,使电机能够更加平稳、准确的运行。

同时采用三段式的起动能实现电机的成功拖动。

因此,该位置检测和起动方法是非常实用和有效的。

参考文献:[1]　董富红.永磁无位置传感器估计方法综述[J ].微电机,2003,(5):39-46..[2]　Nobuyukikasa.A mechanical sensorless control systemfor salient pole brushless DC motor with auto calibra 2tion of estimated position angles[J \〗.IEEE Trans.on 2Ind.Electron ,2000,47(2):3-4.[3]　王冉冉.无位置传感器无刷直流电机启动的比较与研究[J ].微电机,2003,(1):29-30.[4]　沈建新.无位置传感器无刷直流电机三段式启动深入分析[J ].微特电机,1998,(5):8-10.[5]　刘和平.TMS320L F240x DSP C 语言开发应用[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[6]　韩安太.DSP 控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M ].北京:清华大学出版社,2003.[7]　Texas Instruments.TMS320L F/L C240xA DSP con 2trollers reference guide[Z].2001.[8]　陈伯时.电气传动系统的智能控制[J ].电气传动,1997,(1):3-8.作者简介:吴雪梅　(1980-),女,安徽金寨人,西北工业大学电子信息学院硕士研究生,研究方向为数字信号处理及其应用。