一般三相無刷直流電機(jī)是在定子上安裝位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子所處的位置，并根據(jù)檢測(cè)到的位置信號(hào)來決定電機(jī)換相輸出。因此需要在電機(jī)上安裝三個(gè)霍爾傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，不僅增加了電機(jī)工藝的復(fù)雜性，而且增加了電機(jī)成本和電機(jī)故障率，也增加了幾根位置傳感線到控制器上，給電動(dòng)機(jī)整機(jī)安裝帶來不便。三相無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)不需要在無刷直流電機(jī)上安裝位置傳感器，它檢測(cè)三相無刷電機(jī)的三相電機(jī)線上的反電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)此反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)來通過DSP計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子目前相對(duì)于定子的位置，進(jìn)而決定電機(jī)換相輸出，因此省去了一般無刷直流電機(jī)上的三個(gè)霍爾位置傳感器，從而減少了電機(jī)成本和故障率。
在本文介紹的控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF2407A DSP芯片作為控制器。該芯片內(nèi)部集成了前端采樣A/D轉(zhuǎn)換器和后端PWM輸出硬件，將DSP的高運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，具有電機(jī)控制方面無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
一、系統(tǒng)的控制原理
1. 無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理
在直流無刷電動(dòng)機(jī)中,任何時(shí)刻三相中只有兩相被激勵(lì)。例如：A相中電流在00～1200和1800～3000期間流動(dòng)，而在1200～1800和3000～3600期間，A相不通電。每一相的反電動(dòng)勢(shì)是梯形的，有兩個(gè)穩(wěn)定電壓的1200區(qū)間，不通電相的反電動(dòng)勢(shì)可以被測(cè)出，間接得到轉(zhuǎn)子位置。基于轉(zhuǎn)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?fù)Q向。
2. 反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置原理
三相無刷直流電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，每相繞組都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)600就需要換相一次，所以在此之前被截?cái)嚯娏鞯哪诚嗬@組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要反相，從而通過零點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)需要換相6次，所以三相繞組每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)共有6個(gè)過零點(diǎn)，每相兩個(gè)過零點(diǎn)。當(dāng)?shù)弥诚嗟倪^零點(diǎn)的時(shí)刻后，將其延遲300就可以得到所需要的換相信號(hào)。反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置法是利用這一原理來實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。
圖1 基于DSP的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖
用反電動(dòng)勢(shì)法檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的關(guān)鍵是找出過零點(diǎn)時(shí)刻。在圖1中，依據(jù)基爾霍夫的回路電壓定律可以得到以下結(jié)果：
任何時(shí)刻電動(dòng)機(jī)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(shí)刻電動(dòng)機(jī)三相繞組的端點(diǎn)電位之和等于3倍中性點(diǎn)的電位。對(duì)于截?cái)嚯娏鞯哪骋幌郮，電流為0，截?cái)嚯娏髑暗亩它c(diǎn)電位為VX，根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)的定義，該相的反電動(dòng)勢(shì)EX：
EX=－K(VX－VN)(2)
K為常數(shù)，其大小取決于電動(dòng)機(jī)的電感量和電流的變化率。所以，可以根據(jù)(VX－VN)得到反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)，然后用軟件移相得到換相時(shí)刻并使逆變橋以合適的時(shí)序工作，從而保證電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。
二、系統(tǒng)的硬件組成
在圖1所示的基于TMS320LF2407A的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，采用TMS320LF2407A作為控制器，處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置發(fā)出相應(yīng)的控制字來改變PWM信號(hào)的當(dāng)前值，從而改變直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中功率管的導(dǎo)通順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制。其端口IOPC口用于按鍵命令， IOPE口用于點(diǎn)亮相關(guān)的信號(hào)指示燈。PWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)放大后，加在開關(guān)陣列。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路會(huì)檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)過流或欠壓情況，會(huì)啟動(dòng)DSP控制器的電源驅(qū)動(dòng)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的DSP芯片和驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)。
功率驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路。
IR2130芯片可同時(shí)控制六個(gè)大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出HO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋V1、V3、V5的導(dǎo)通關(guān)斷，而IR2130的輸出LO1，2，3分別控制三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋V2、V4、V6的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。IR2130芯片內(nèi)部有電流比較電路，可以進(jìn)行電機(jī)比較電流的設(shè)定。設(shè)定值可以作為軟件保護(hù)電路的參考值，這樣可以使電路能夠適用于對(duì)不同功率的電機(jī)的控制。
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和電流檢測(cè)電路
轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的無傳感器控制，為了計(jì)算中性點(diǎn)電壓VN，必須知道三個(gè)繞組端對(duì)地電壓(電位)，這可由TMS320LF2407內(nèi)的ADC來實(shí)現(xiàn)，電流檢測(cè)采用分流電阻來實(shí)現(xiàn)。分流電阻安裝在功率驅(qū)動(dòng)橋的下端，與功放板地線之間，選定的阻值具有功放板達(dá)到允許的最大電流時(shí)，激活過流保護(hù)功能，這些信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前都要通過放大電路放大一定的倍數(shù)，以覆蓋整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍。
三、程序框圖
現(xiàn)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(tǒng)軟件編程的關(guān)鍵
1. 反電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算
每50μs對(duì)三個(gè)繞組的端電壓采樣一次，通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，據(jù)據(jù)式(1)求得中性點(diǎn)電壓VN。因?yàn)镈SP的乘法運(yùn)算比 除法運(yùn)算快得多，在計(jì)算中性點(diǎn)電壓是不除以3，而是保留3倍的中性點(diǎn)電壓值，在用式(2)計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)，使用3倍的端電壓與3倍的中性點(diǎn)電壓值相減，從而得到3倍的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值。因?yàn)閷?duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小不感興趣，而只對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的符號(hào)變化感興趣，所以直接用3倍的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值來判斷符號(hào)的變化，而省去除法運(yùn)算，縮短運(yùn)算時(shí)間，進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)處理能力。
2. 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)
無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)在靜止或低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)為零或很小，很難通過反電動(dòng)勢(shì)來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。因此，無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)存在啟動(dòng)問題。在本系統(tǒng)中采用磁定位的方法啟動(dòng)無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)時(shí)，對(duì)任意兩相通電，使其轉(zhuǎn)到與定子磁場一致的位置。通過一個(gè)延時(shí)來等待電動(dòng)機(jī)軸停止振蕩。在磁定位期間，不對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行估算，其他操作與正常時(shí)一樣。
3. 換相時(shí)刻的定位
過零點(diǎn)與換相點(diǎn)間隔300，這就是說在測(cè)得過零點(diǎn)后，還要延遲一時(shí)間才能換相。在程序中，延遲時(shí)間是采用以下方法估算的：測(cè)得轉(zhuǎn)子剛轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)所用的時(shí)間，將這個(gè)時(shí)間除以12就可以得到轉(zhuǎn)過300所用的平均時(shí)間，用這個(gè)平均時(shí)間作為一轉(zhuǎn)的6個(gè)過零點(diǎn)與相應(yīng)的換相點(diǎn)之間的延遲時(shí)間。由于速度可以表示為dφ/dt，所以這實(shí)際上，也同時(shí)得到了電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速。
4. 換相干擾的濾除
換相的瞬間會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾， 這時(shí)檢測(cè)電壓容易產(chǎn)生較大的誤差，又因?yàn)閾Q相后感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不會(huì)立即進(jìn)入過零點(diǎn)，所以在換相后加一個(gè)延時(shí)，經(jīng)延時(shí)后再進(jìn)行電壓的檢測(cè)。
五、結(jié)語
本文提出基于TMS320LF2407A的無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的設(shè)計(jì)方案，充分利用了DSP的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，保證了控制的實(shí)時(shí)性，有效地簡化了硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡潔、緊湊，具有低成本、低功耗特點(diǎn)，特別適合在家用電器產(chǎn)品中應(yīng)用。同時(shí)，也可推廣到其它工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如機(jī)床、機(jī)器人和電梯驅(qū)動(dòng)等。
