无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计

1、煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol.32No.10 Oct. 2011第 32卷 第 10期 2011年 10月0引 言数 字 信 号 处 理 器 (DSP 以其高 速 的 数 据 处 理 能 力 、 丰富 的内 部 资 源 以 及 功 耗 低 等 特 点 , 已 在 控制 领域 中 得 到 广泛 应 用 。 本 文 以 TMS320F28027作为 核 心 的 无 刷 直 流 电机 控制 系统 为 研究对象 , 采用 PWM 控制 技术 , 利用 智 能 功率 模 块 IPM , 设 计 一种 电机 控制 系统 , 并 对 其 进行了 系统 的 分 析 。1无 位

2、置 传感器无刷直流电机控制系统 原理 由于 无 刷 直 流 电 动 机 三 相定 子 的 导 通 顺序 (即 换 相 由 转 子 位 置 决 定 , 其 基 本工 作原理 就 是 借助 反 映 转 子 位 置 的 位 置 信 号 , 通 过 驱 动 电路 , 驱 动 逆 变 器 的 功率 开 关 元 件 , 使得 电 枢绕 组 以 一定的 顺序 馈 电 , 从 而在 气 隙 中 产生 步 进式 旋 转 磁 场 , 拖 动 永 磁 转 子 旋 转 。 随 着 转 子 的 转 动 , 转 子 位 置 信 号 依 一定 规 律 变 化 , 从 而 改 变 电 枢绕 组 的通 电 状 态 , 实现 无

3、 刷 直 流 电 动 机 的 机电 能 量 转换 。 由 此 可 见 , 电机 的 转 子 位 置 的 检 测 对 电机 的 控制起 着 至关 重 要 的作用 。 在 本 文 中 无 刷 直 流 电 动 机 的 转 子 位 置 的 准 确 获 取 是通 过 软 件 对续 流二 级 管 导 通 时 不 导 通相 反 电 势 的 检 测 来 实现的 , 同 时 通 过 对 反 电 动 势 过 零 点 次 数 的 捕获 可用 来提 供 电 动 机 的 转 速 , 为 速 度 环 的 设 计 提 供 转 速 反 馈 信 息 。 本 文 所 设 计 的 无 传 感 器 无 刷 直 流 电 动 机 控制

4、系统 的 控制 框 图 如 图 1所示 。 图 无传感器控制系统 的 总体控制框 图 2无刷直流电机无 位置 传感器控制方法本 文 采用的 PWM 调 制 方式是 高 压 侧 功率 管 调 制 方式 , 低 压 侧 只 是在 电机 换 相 时 导 通 或 关 断 , 不 导 通相的 反 电 动 势 可 以 在 PWM 高 电 平 和 相 电 流 续 流 阶 段 中 被 检 测 出来 。 逆 变 器 采用 120°导 通方式 时 , 在 任 意 时 刻 无 刷 直 流 电机 的 三 相定 子 绕 组 总 有 一相是 关 断 的 。 然而 , 被 关 断 的 那 相 绕 组 的 电 流

5、并 不 会 再 换 相 后 马 上 降 为 零 , 而是通 过 续 流二 级 管 续 流 , 一 直 到 该 相 反 电 动 势 过 零 点 的 附 近 降 为 零 。 假 设 某 一 个 换 相 阶 段 , 电机 处 于 A 和 B 相 导 通 , C 相 为不 导 通相 状 态 , 相 电 流 经 由 功率 管中 集 成的 续 流 二 级 管在 A 相 和 B 相 绕 组 中 续 流 。 在 这 个 阶 段 中 , C 相 端 电 压同 样 可 以 检 测 出 反 电 动 势 的 过 零 点 , 具 体 如 下 :对 于 A 相 绕 组V n =0-ri-L d i -e a (1 对 于

6、 B 相 绕 组V n =ri+Ld id t-e b (2 将式 (1 和 式 (2 相 加V n =-e a +e b (3 根据 无 刷 直 流 电机 三 相 绕 组 对 称 的 关系 e a +e b +e c =0(4 根据 式 (3 和 式 (4V n =e2(5 因 此 , 在 无 刷 直 流 电 机 相 电 流 处 于 续 流 状 态 时无 位置 传感器无刷直流电机控制系统 的设计 徐 锐(安 徽 理 工 大 学 电 气 与 信 息 工程 学 院 , 安 徽 淮 南 232001摘 要 :以 基于 DSP (TMS320F28027 的 无位 置传 感 器 无刷直流电 机 控制

7、系统为研究 对 象 , 采 用高 压侧功 率 管 PWM 调 制 方式 , 并利 用 智 能 功 率 模块 , 设计 一 种电 机 控制系统 。 对 该控制系统 的 硬 件 组成 和 软 件的设计方 案 进行了 论 述 , 并 对 控制系统 进行了 分析 。 此 系统可以 简化 硬 件结构 , 便 于在 数字 控制系统 的基础上进行方 法实现 , 并使 电 机得到高效 稳定 的 控制 。关键词 :DSP ; 无位 置传 感 器 ; 无刷直流电 机 ; 控制系统中图分类号 :TM33文献标志码 :A 文章编号 :1003-0794(2011 10-0169-03 Design of Sensor

8、less Brushless DC Motor Control SystemXU Rui(Anhui University of Technology , Institute of Electrical and Information Engineering, Huainan 232001, China Abstract:Research of control system for BLDC motor without position sensor based on DSP (TMS320F28027, this system adopts high voltage side power t

9、ube PWM way, and uses intelligent power module (IPM.The hardware component and software design solutions for this system based on DSP are described. This system can be convenient in digital control system based on method of realization, simplified hardware structure, and make motor get effective con

10、trol.Key words:digital signal processing; position sensorless; brushless DC motor; control systemR S T 整流电路过 压欠 压保护电路IPM功率 逆 变 器驱 动 、 隔 离电路无 刷 电机电流检测XINT1位 置 检 测 PWM16DSP起 停 键 速 度 给 定V c =3e2(6 从以上 式中可 知 , 当 相 电 流 在 功率 管的 集 成 二 极 管中 续 流时 , 不 导 通相的 端 电 压 和 反 电 动 势 成 正 比 , 而 此时 由于不 存 在 功率 管的 开 关 状 态 ,

11、 因 此 不 会 有大量的 开 关 噪声 。 将 此时 的 端 电 压 和 固定的 参 考电 压进行 比 较 , 可 以 精 确地 得 到 不 导 通相 反 电 动 势 的 过 零 点 , 在 过 零 点 时 刻 延 时 30°电 角 度 , 即 为 电 机 换 相 点 。与 常 用的 无 位 置 传 感 器 控制 方 法 相 比 , 此 方 法 具 有 较 高 的 灵 敏 度 , 拓 宽 了 转 速 的 适 用范围 , 也 加 快 了 电机 开 环 起 动的 过程 。3无 位置 传感器无刷直流电机控制系统硬件组成 TMS320F28027具 有 丰富 的 片 内 资 源 , 如 A

12、/D转换 、 增 强 型 脉 宽 调 制 器 、 EVA 等 功 能 模 块 , 且 具 有 高 效 32位 CPU , 能 快速 中 断 响 应 和 处 理 。 因 此 , 本 系统 的 控制 电路 较 为 简 单 , 主 要 包括 端 电 压 过 零 检 测 电路 、 电 流 反 馈 检 测 电路 、 欠 压 过 压保护 电路 、 电 源 电路 、 IPM 驱 动 控制 电路 等 电路 。本 文 给 出 IPM 驱 动 电路 如 图 2, 欠 压保护 电路 如 图 3。 IPM (智 能 功率 模 块 具 有 高 电 流 密 度 、 低 饱 和 电 压 和 耐 高 压的 优 点 , 以 及

13、 高 输 入 阻 抗 、 高开 关 频 率 和 低 驱 动 功率 的 优 点 。 IPM 采用了 单 电 源 驱 动 电路 。图 2IPM 驱动 电路图 3欠 压 保护电路系统 的 母 线 电 压为 24V , 如 图 3所示 , 利用 电 阻 分 压的方式 对 主 电路 直 流 电 压进行采 样 , 正常 情 况 下 , 可 以得 到 1.84V 的采 样 电 压 , 处 于 DSP 内 部 AD 采 样 模 块 可 以 转换 的 最 大 电 压 3.3V 的 1/32/3, AD 测 量 精 度 为 最 高 。 同 时设 定 系统 欠 压的 阈 值 为 20V , 当 采 样 电 压 低

14、于 阈 值 时 , 即 分 压 过后 的采 样 值 低 于 1.54V 时 , DSP 将 封锁 PWM 的 信 号输 出来 保护 系统 。4无 位置 传感器无刷直流电机控制系统软件 设计 主 程 序 中 , 首先 进行 DSP 内 核 时 钟 、 各 功 能 模 块 预 定 标 器 、 AD 采 样 时 钟 、 各 类 外 设 中 断 以 及 PWM 、 GPIO 等 各个 重 要 参数 的 初 始 化 , 用 以设 置 PWM 占 空 比 、 不 导 通相 选择 。 另 外 , 还 包括 使 用 无 刷 直 流 电机模 型 仿真 得 到 的 开 环 起 动 时间 、 换 相 标 志 、 电

15、机 驱 动 PWM 换 相 表数 组 以 及 不 导 通相 选择 数 组 的 初 始 化 。 DSP 初 始 化起 动 程 序 流程 图 如 图 4所示 。图 4DSP 初始化起 动 程序流程无 位 置 传 感 器 电机 控制 程 序 中 断 事 件主 要 包 括 CPU 定 时 中 断以 及 CAP 捕获 中 断 , 通 过 中 断 子 程 序 的 编 制 , 可 以 实现 开 环 起 动 加 速 、 闭环 切 换 以 及 转 速 计算 和 换 相等 系统 功 能 。 进 入 CAP 中 断后 , 对 不 导 通相 反 电 动 势 过 零 点 进行 响 应 , 计算当 前 电机 转 速 ,

16、并 进行延 时 换 相 , 程 序 流 程 如 图 5所 示 。图 5CAP 中 断 子 程序流程5结语本 文 通 过 研究 改 进的 反 电 动 势 过 零 点 检 测 方 法 , 设 计 了一 套 基于 TMS320F28027DSP 的 无 位 置 传 感 器 无 刷 直 流 电机 控制 系统 。 通 过 利用 TMS320F28027DSP 丰富 的 片 内 资 源 , 及 其高 效的 运 算 处 理 能力 , 且 反 第 32卷 第 10期Vol. 31No.10无 位 置 传 感 器 无 刷 直 流 电机 控制 系统 的 设 计 徐 锐+15V +15VC 6C 8 V CC C

17、9Cap2nF 2nF +CapPollCap 10uFCapPoll10uFR 17 Res2D8 10Cap 1uF C 10 C 14R 19 Res2 10 D9Diode Diode C 21 + +D11 CapPoll 10uFCapPoll 10uFR 23 Res2 10Cap100pFC 17Cap100pFC 22R 9Res210CL1BL1AL1FO21201918171615141312GINGNDVN18711109654321+15V+15V+15V AH1BH1GNDCH1UWVUWV25242326C1N1R11R12PGNDRes20.2Res20.2PGNDC1NR 6Res21.8k C 1Cap225WNVNUNFOCFOCINVNCVN1NVWFSVWFBVPCVP1WPVWFSVWFBVP1VPVP1UPPVWFSVWFBPPS2186922*2VN1Diode15VUdR 26C 15120k R 2710k