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基于DSP的無位置傳感器無刷直流電機控制

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:5562


摘要:首先對無位置傳感器永磁無刷直流電機(BLDCM)轉子位置檢測及起動進行了研究,介紹了其原理及實現方法,接著介紹了一種基于TMS320LF2407的無刷直流電機控制系統,最后給出了實驗結果。

1無位置傳感器換相控制

1.1反電勢過零檢測法

   所研究的控制系統中,無刷直流電機定子繞組采用星形接法,其電樞繞組中具有梯形的反電動勢波,在任何時候其三相繞組中只有兩相導通。為保證這一方式,每相繞組正反向分別導通相斷路,系統采用兩兩導通、三相六狀態PWM調制120°電角度。在忽略永磁無刷直流電機電樞反應影響的前提下,通過檢測未導通一相的反電動勢過零點,來一次獲取轉子的太個關鍵位置信號,并以此作為逆變橋功率器件的觸發信號輪流觸發導通,實現電機的正確換相,以驅動電機運轉。反電動勢檢測電路如圖1。

   圖1反電動勢檢測電路

   實際上該電路是一個簡單的端電壓分壓電路,電容C起濾波作用(pF級)。R1、R2為分壓電阻,端電壓Vχ經分壓濾波后的V0直接連至TMS320LF2407芯片ADC模塊的測量通道,經過ADC轉換得到端電壓信號。

   在反電動勢過零瞬間,對于未導通相其反電動勢的計算公式為:

式中,Enon-fed一未導通相反電動勢;

     Vnon-fed一未導通相定子端電壓;

     Va、Vb、Vc一三相端電壓;

   由式(1)可知,只要測量出三相端電壓,然后由程序計算未導通相端電壓與三相端電壓總和三分之一的差值即可得到為導通相反電動勢值。當該值為零時即表明檢測到反電動勢過零點。

1.2算法的軟件實現

   首先給出定子端一相反電動勢波形如圖2所示。感興趣的只是反電動勢的過零點,而并非反電動勢波形上的所有點,這樣在程序中只需根據式(1)確定反電動勢符號改變的時刻,即可認為已檢測到過零點。過零點檢測周期在程序中設定為50μs,這一周期相對于反電動勢周期而言極小,檢測誤差可忽略不計。例如,對本文所研究的六極電機(額定轉速2000r/min),最小反電動勢周期為10ms,對應最大檢測誤差為0.005,可見該誤差很小,可忽略。但是,電機轉速越高,極數越多,反電動勢周期則越小,50μs時對應的檢測誤差也就越大,這時只要適當減小過零檢測周期即可滿足檢測誤差的要求。必須注意反電動勢過零點還不是換相點。由圖2的反電動勢波形容易看出從反電動勢過零點延時30°電角度即得到換相點,從而實現無位置傳感器無刷直流電機的正確換相。

   圖2定子三相反電動勢波形

2  BLDCM起動過程研究

2.1起動方式原理

   本文采用起動方式為升頻升壓的同步起動方式。升頻升壓的同步起動方式是參照同步電機的變頻起動來設計的。它是由DSP本身自帶的事件管理器產生PWM波形控制逆變器,在一開始就將電機拉到同步,同時將逆變器的換向頻率慢慢增大,而且給無刷直流電機的定子電壓開始很小,逐步升高,從而使電機轉子速度逐漸增大,這樣無刷直流電機就可以實現類似永磁同步電機的開環變頻起動,等到電機定子上的電壓足夠大時,即電機轉子已經達到一定速度,能使DSP的A/D轉換器件檢測到足夠大的反電動勢,此時就可以適時地將電機切換到反電動勢檢測控制的正常閉環運行狀態。

2.2起動的軟件實現

   由于脈沖寬度是由比較寄存器中的值決定的,如圖3所示。因此,可以先修改比較寄存器的值使PWM波形的脈沖寬度不斷增大,這樣加在定子端的等效電壓就逐漸增大,從而也就實現了電機定子的逐漸升壓。同時再利用寄存器存放換相時間,一開始令電機的換相頻率非常小,使電機首先進入同步狀態,然后采用開環控制的方式,使電機的換相頻率逐漸增大,這樣就使電機在同步狀態下實現了變頻起動。與此同時,還可以在利用一個寄存器存放一個固定值,這個值代表著電機的定子電壓達到一定的大小,在電機起動的過程當中,不斷的將PWM發生器中的比較值時,就認為電機的定子端電壓寄存器的值與它作比較,當達到一定的數值,電機有了一定的轉速,電機的反電動勢也達到了一定的大小,此時,就可以將電機切換到反電動勢檢測的自控運行方式。

    圖3通用定時器產生的對稱PWM波形

3控制系統原理

   系統采用TMS320LF2407為控制芯片,加上必要的外圍電路,組成一個簡單的無刷直流電機數字控制系統,如圖4所示。

   圖4控制系統原理框圖

   系統采用兩兩導通,三相六狀態的PWM調制方式,電機起動后,由反電動勢檢測電路經ADC轉換所測量得到的端電壓信號經程序計算得到反電動勢過零點,進而計算得到換相點,按照換相規律,由程序控制輸出正確的PWM方波,經驅動電路控制相應功率開關的通斷,實現對電機的正確饋電,控制電機正確運行。

4實驗分析

實驗電機為24V,60W,額定轉速為2000r/mrin的三相六極無刷直流電動機。定子相電阻R=O.9Ω,相電感L=1.4mH,轉動慣量J=1.57×10??kg·㎡。

為了便于比較帶位置傳感器和無位置傳感器控制系統的控制效果,該實驗電機制造時在轉子上安裝有3個霍爾傳感器。分別用本文設計的無位置傳實驗結果表明基于TMS320LF2407芯片的無位置傳感器數字控制系統能夠控制電機順利起動,起動時間不超過3秒,并且很好地實現了實驗電機的正確換相和穩定運行。從波形比較圖可以看出,設計的感器數字控制系統與純硬件控制系統作了一個比較實驗,當電機穩定運行在2000r/min時,用示波器分別測量電機的端電壓波形如圖5所示。系統所對應的端電壓波形更加平穩,其控制效果甚至要好于純硬件的控制系統。

      

a)不帶位置傳感器                      b)帶位置傳感器

圖5定子三相端電壓波形比較

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