王淑紅（1969－）
女，甘肅靖遠(yuǎn)人，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)電子信息工程專業(yè)，副教授，碩士，從事電氣自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)的教學(xué)和科研工作。

摘要：介紹了以TMS320F2812為核心的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制策略。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，介紹了一種利用基于六個(gè)離散位置信號(hào)的自同步SVPWM控制方法,用于抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文章對(duì)其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低成本，高可靠性，可望在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和工業(yè)控制領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；控制器；TMS320F2812；SVPWM

Abstract: The design of the PMDC brushless motor control strategy based on TMS320LF2812 is introduced in this paper. The BLDCM with sinusoidal back EMF and a self-synchronous SVPWM control method based on six discrete position signals for minimizing torque ripple is also introduced here. The hardware circuit and software design is presented. Because of its simple construction, low cost, and high reliability, this system can be widely applied in the field of motor drive and control.

Key words: PMDC brushless motor；Controller；TMS320F2812；SVPWM

1 引言

    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子換向器取代了機(jī)械電刷和機(jī)械換向器，因此它不僅保留了直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且又具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，使它一經(jīng)出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于伺服控制、醫(yī)療機(jī)械、儀器儀表、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。其相應(yīng)的控制系統(tǒng)一直采用復(fù)雜的電子線路或51系列單片機(jī),因此或多或少存在可靠性差、成本高、抗干擾能力差等缺點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,單片機(jī)的性能得以不斷提高,基于TMS320F2812 DSP的控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制的智能化,并具有成本低、工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制方案

2.1 控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

    系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。它主要由三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主電路、TMS320F2812控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路及檢測(cè)保護(hù)電路等部分組成。

                                    圖1   控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

    三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。它有3 個(gè)互為120°(機(jī)械角) 的定子繞組,經(jīng)由6 只MOSFET 管組成的三相全控電路供電,永久磁鐵按一定的極對(duì)數(shù)(2 p = 2 ,4 , …) 安裝在轉(zhuǎn)軸上,其位置傳感器主要起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用,為電子開(kāi)關(guān)控制電路提供正確的換相信息。電子開(kāi)關(guān)線路用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的時(shí)刻、順序和時(shí)間。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí),該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)距,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置轉(zhuǎn)換為電信號(hào),去控制電子開(kāi)關(guān)線路,電子開(kāi)關(guān)管MOSFET就以兩兩通電方式要求的次序進(jìn)行換相,從而使三相定子繞組按一定次序?qū)ā．?dāng)改變MOSFET 的導(dǎo)通順序時(shí),就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)向[2]。

3 SVPWM控制方法

    無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形一般為梯形波。在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除齒槽轉(zhuǎn)矩，常采用斜槽、分?jǐn)?shù)槽、合理設(shè)計(jì)磁極形狀和充磁方向等措施，這些措施往往使得電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形更接近正弦。這種情況在中小功率無(wú)刷直流電機(jī)中更為常見(jiàn)。對(duì)于這類電機(jī)，采用正弦波電流驅(qū)動(dòng)比采用120°導(dǎo)通型三相六拍方波驅(qū)動(dòng)，更有利于減小電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此尋求利用方波型無(wú)刷直流電機(jī)三個(gè)霍爾元件產(chǎn)生的六個(gè)離散位置信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦波電流驅(qū)動(dòng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

     
                           圖2   無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)逆變器示意圖
    
     三相電壓型逆變橋的上橋臂和下橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)互補(bǔ)，故可以用三個(gè)上橋臂的功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)描述逆變器的工作狀態(tài)，記功率器件上橋臂開(kāi)通狀態(tài)表示為“1”，下橋臂開(kāi)通狀態(tài)表示為“0”，則上橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有八種組合，用 [a，b，c]表示橋臂的狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于不同組態(tài)時(shí)輸出給電機(jī)的相、線電壓對(duì)應(yīng)值(相對(duì)應(yīng)于三相全波整流后的直流電壓Ud)如表1所示。

                             表1   三相逆變器的導(dǎo)通組態(tài)

    得到相電壓的8種組態(tài)后，再通過(guò)abc-αβ坐標(biāo)轉(zhuǎn)換投影到α-β坐標(biāo)系下，由此可以得到6個(gè)非零向量和2個(gè)零向量，分別記為0 (000)--7(lll)，稱為基本電壓空間矢量，其中1  (001)--6 (l10)為有效矢量，幅值大小為Ud ，0 (000)、7(lll)為零矢量，幅值為零。如圖3所示。

     

                                  圖3   基本空間電壓矢量圖

    如果希望獲得多邊形或者逼近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必然要利用8個(gè)空間電壓矢量的線性組合，以獲得更多的與 0(000)--7(lll)不同的新的電壓空間矢量，形成一組等幅但不同相位的電壓空間矢量。因此電壓矢量SVPWM以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通，從而達(dá)到較高的控制性能，這就是空間矢量SVPWM的基本原理。

    要使輸出相電壓更接近正弦波，可以按照SVPWM的控制方法，把每個(gè)60°區(qū)間進(jìn)行N等分，每個(gè)小區(qū)間通過(guò)相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來(lái)合成該區(qū)間的電壓空間矢量，這樣一個(gè)周期將有6N個(gè)電壓空間矢量，每隔60/N電角度切換一次。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的自控式運(yùn)行，切換時(shí)刻仍必須由轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)60/N電角，電壓空間矢量切換一次。問(wèn)題是總共只有6個(gè)確定的離散位置信號(hào)，如何確定兩個(gè)位置信號(hào)之間轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，是保證無(wú)刷直流電機(jī)自同步運(yùn)行的關(guān)鍵。

    按照電機(jī)學(xué)理論，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為

       (1)

    式中，F(xiàn)s為定子勵(lì)磁磁動(dòng)式；Fr為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁動(dòng)式；θ為Fs和Fr之間的夾角；k為比例系數(shù)。

    從上式可見(jiàn)，有兩個(gè)因素可引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，一是定子勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Fs，幅值的變化，二是定子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)夾角的變化。而上面所提的SVPWM控制方法能夠保證電壓空間矢量和轉(zhuǎn)子以恒定的夾角同步旋轉(zhuǎn)，由于定子電流空間矢量以恒定的夾角與電壓空間矢量同步旋轉(zhuǎn)，而定子磁動(dòng)勢(shì)又由定子電流產(chǎn)生，最終使定子磁動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子以恒定的夾角同步旋轉(zhuǎn)。這種控制方法能夠消除因定、轉(zhuǎn)子夾角變化而引起的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)，軟件算法都比較簡(jiǎn)單。

4 三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的DSP控制策略

    利用TMS320F2812 DSP實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的控制和驅(qū)動(dòng)電路。三個(gè)位置間隔120°分布的霍爾傳感器H1、H2、H3經(jīng)整形隔離電路后分別與TMS320F2812的三個(gè)捕捉引腳CAP1、CAP2、CAP3相連，通過(guò)產(chǎn)生捕捉中斷來(lái)給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息。電流反饋輸出經(jīng)濾波放大電路連接到TMS320F2812的ADC輸入端ADCIN00,在每一個(gè)PWM周期都對(duì)電流進(jìn)行一次采樣，對(duì)速度進(jìn)行控制。TMS320F2812 DSP通過(guò)PWM1～PWM6引腳經(jīng)一個(gè)反相驅(qū)動(dòng)電路連接到六個(gè)開(kāi)關(guān)管,實(shí)現(xiàn)定頻PWM和換向控制[3]。

     

                             圖4   三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整速控制框圖

    圖4是對(duì)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制的框圖。給定轉(zhuǎn)速與速度反饋量形成偏差，經(jīng)速度調(diào)節(jié)后產(chǎn)生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制。速度反饋通過(guò)霍爾位置傳感器輸出的位置量，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。

    在調(diào)速控制中采用數(shù)字PID算法，對(duì)轉(zhuǎn)速反饋實(shí)行PI控制，對(duì)電流反饋采用PID控制。本系統(tǒng)中，PID采用積分分離PID算法，其特點(diǎn)是根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)誤差閥值，當(dāng)跟蹤誤差大于閥值時(shí)，采用PD控制，可避免過(guò)大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，當(dāng)跟蹤誤差小于閥值時(shí)，采用PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。以上算法在DSP中通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。

     
                                 圖5   霍爾傳感器的三相位置信號(hào)

    在轉(zhuǎn)矩控制上采用空間矢量法(SVPWM)進(jìn)行控制，使供電電壓波形接近正弦波形。這種方法可以在不損失轉(zhuǎn)矩電流比的基礎(chǔ)上，有效的抑制電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這種控制方法采用開(kāi)關(guān)型霍爾元件進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，不需要電流傳感器，控制器成本較低，具有較大的實(shí)用價(jià)值。其算法也通過(guò)軟件編程完成。

4.1 電壓空間矢量初始定位

    根據(jù)式（1），為了使產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大，必須保持定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)式之間的夾角為90°電角度，設(shè)定子電壓空間矢量超前定子電流空間矢量θZ電角度，而定子電流空間矢量與定子磁動(dòng)式同相位，因此必須是定子電壓空間矢量超前轉(zhuǎn)子磁動(dòng)式90+θZ電角度。安裝三相位置傳感器，使得轉(zhuǎn)子磁極軸線位于A相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)處，A相位置傳感器輸出信號(hào)發(fā)生跳變，觸發(fā)A相繞組導(dǎo)通，則可以確定轉(zhuǎn)子位于某個(gè)60°區(qū)間時(shí)，電壓空間矢量的初始相位角θr，此處θr代表α-β坐標(biāo)系下，電壓空間矢量與α軸(即A相軸)之間的夾角，如圖3所示。當(dāng)霍爾元件傳感器輸出如圖5所示的三相位置信號(hào)時(shí)，根據(jù)以上原則確定的三相位置信號(hào)與電壓空間矢量的初始相位角。

4.2 轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)

    在電壓空間矢量法中，電壓空間矢量的旋轉(zhuǎn)頻率受位置信號(hào)傳感器的控制，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終相等。三相霍爾元件輸出的位置信號(hào)如圖5所示，每個(gè)周期內(nèi)位置信號(hào)有6次跳變，這樣一個(gè)周期內(nèi)有6個(gè)轉(zhuǎn)子位置可以被確定。當(dāng)逆變器采用六拍運(yùn)行方式時(shí)，以三相位置信號(hào)的跳變時(shí)刻作為電壓空間矢量的切換時(shí)刻，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的自同步運(yùn)行。為使輸出相電壓更接近正弦波，根據(jù)SVPWM的控制方法，每個(gè)60°區(qū)間進(jìn)行N等分，每個(gè)小區(qū)間通過(guò)相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來(lái)合成該區(qū)間的電壓空間矢量，這樣每個(gè)周期有6N個(gè)電壓空間矢量，每隔60/N電角度切換一次。為知道這60/N所持續(xù)時(shí)間，假設(shè)60°區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不發(fā)生變化，這樣就可以利用上一個(gè)60°區(qū)間所持續(xù)時(shí)間來(lái)近似代替當(dāng)前區(qū)間的持續(xù)時(shí)間。電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，這兩個(gè)區(qū)間的時(shí)間不一定相同，這種近似必然會(huì)產(chǎn)生誤差，隨著誤差的積累超過(guò)一定角度時(shí)，電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子d軸之間的實(shí)際相位將發(fā)生錯(cuò)位，造成電機(jī)的失步振蕩直至停轉(zhuǎn)。所以筆者用位置傳感器的跳變信號(hào)，每60°進(jìn)行一次位置校正。經(jīng)過(guò)校正，可以使電壓空間矢量與轉(zhuǎn)子位置同步旋轉(zhuǎn)，保證無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)保持自同步運(yùn)行[1]。

5 結(jié)束語(yǔ)

    永磁無(wú)刷直流電機(jī)既有交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)又有直流電機(jī)的特性，是一種很有應(yīng)用前景的機(jī)種。實(shí)驗(yàn)表明：該機(jī)種具有良好的運(yùn)行特性和調(diào)速性能，具有高效節(jié)能的特性，完全可以取代直流電機(jī)進(jìn)入調(diào)速領(lǐng)域和伺服領(lǐng)域，是一種集電子、電機(jī)和計(jì)算機(jī)為一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)。利用TMS320F2812型DSP構(gòu)建的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器控制方式簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)穩(wěn)定，調(diào)速性能良好，可以應(yīng)用于各種高精度調(diào)速系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)。  

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