基于DSP的无刷直流电动机控制方法研究
摘要：提出一种基于DSP的全数字无刷直流电动机驱动控制器研制方案。系统采用外环速度环、内环电流环双闭环控制系统,速度调节器和电流调节器采用PI控制。对于无刷直流电动机固有的低速时换相转矩脉动问题，从工程应用角度出发，考虑到电流调节带来的误差，换相方法上摒弃了利用霍尔元件边沿触发检测方案，采用了定时扫描转子位置的方法．提高了电机的动态响应速度和低速时动态性能，同时解决了无刷直流电动机起动问题。速度检测采取M／T法，拓宽了调速范围。理论和实验证明所提出的控制方法可靠，实用性强。 0引 言 无刷直流电动机效率高，使用寿命长，在很多场合得到了广泛应用。但是其固有的电磁转矩脉动问题影响了其在高精度高稳定性场合的应用。解决其转矩脉动问题一直是工程技术工作者研究的热点和难点。文献分析了电机的换相过程，指出了换相转矩脉动与电动机及驱动系统参数之间的关系。文献[4—5]采用电流滞环控制方式和直流侧控制的PWM斩波法控制开通相的电流上升速率来抑制低速下的换相转矩脉动。文献[6]采用PWM控制的重叠换相法消除换相转矩脉动。文献[7]提出电流预测算法保持非换相相绕组的相电流在换相期间恒定来减小换相转矩脉动。虽然从理论上提出了很多种抑制转矩脉动的方法，但是这些方法没有考虑在工程应用中电流调节带来的误差。 本文提出的换相方法摒弃了利用霍尔元件边沿触发检测方案采用了定时扫描转子位置的方法，提高了电机的动态响应速度和低速时动态性能，同时解决了无刷直流电动机起动问题。速度检测采取M／T法，拓宽了调速范围。 1系统硬件组成
本系统硬件组成如图l所示，选用DSP作为主控芯片，TI公司的TMS320L，F2407A具有40 MIPS的组成运算速度，32 k FLASH，16通道模拟输入高速10位A／D，多个功能丰富的通用计时器，多路可编程脉宽调制(PWM)输出，可编程脉宽调制输出死区，多路信号输入捕捉接口(CAP)，光电编码盘接口(QEP)，以及异步串行接口(SCI)，串行(同步)外设接口(SPl)和cAN总线接口。 选用三菱公司智能功率模块IPM和外围的泵升供电电路构成直交转换电路逆变器，通过六个开关管的导通和关断将直流转换成交流输出，连接到电机的三相上，用来控制电机。IPM带有过压、欠压、过流保护信号与控制器的PDPINT中断接口连接，用于直接通过中断关断DSP所有六路脉宽调制PWM波输出。 通过光电编码器码盘检测无刷直流电动机的速度，反馈脉冲接人DSP的QEP。电路，利用霍尔元件检测转子的位置，用来完成电机换向，信号接入DSP的边沿捕捉CAP电路。电路如此设计，但是本系统没有采用边沿捕捉功能完成电机换向，而是把CAP口当作I／0口来应用。 通过电流霍尔传感器LEM在逆变器直流侧检测总电流，电流反馈接人DSP的A／D转换电路，转化成数字量参与电流环运算。另外还利用DSP的串行通讯接口和上位机通讯，完成参数设置下载以及数据示波显示功能。 2系统结构原理及控制方法 本系统电机控制采用速度、电流双闭环PI控制。本系统的控制对象为无刷直流电动机，其反电动势波形为梯形，系统采用通常的两相导通三相星型六状态的120°导通方式，即电机的三相绕组每次同时有两相导通，另外一相关断，电机为星型连接，转子位置对应六种状态。系统框图如图2所示。 无刷直流电动机控制系统采用增量式光电编码器作为速度检测器件，接入DSP的光电编码盘接口(QEP电路)。基于光电编码器基础上的数字测速法有M法、T法和M／T法。其中M／T法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段都可获得较高的分辨率。M／T法测速的原理图如图3所示。
如果光电编码器每转产生N个脉冲，在测速时间Tc=Td+△T的时间内，测速脉冲计数为m1，时间基准脉冲为m2，则电动机的转速可以表示为： 得到的速度值作为反馈信号与速度给定值比较，得到的偏差作为电流环的给定输入。本系统速度环的采样频率定为1 kHz。 电流反馈信号从逆变器的直流侧取出，主要控制电流幅值。由于直流侧电流反馈控制是根据流过直流电源的总电流信号进行的，因此只需要一个电流传感器便可得到电流反馈信号。通过A／D转换为数字量，与给定输入比较作为电流偏差。通过电流控制器控制PWM占空比，在低速和高速阶段自动选择不同的占空比，使得上升电流和下降电流的速率始终保持一致，以保证电流换相时，非换相电流无脉动。此种方法简单易行，适用于较宽的转速范围。本系统电流的采样频率定为4 kHz。 速度和电流调节都采用离散PI算法，即： 式中： kp、ki——比例、积分系数； Ts——计算步长即采样时间。 3 控制方法的改进 无刷电动机转子位置信号是通过三个霍尔元件得到的。每一个霍尔元件都会产生180°脉宽的输出信号，三个霍尔传感器的输出信号互差120°相位差，这样它们在每360°电角度中共有六个上升或下降沿，如图4所示。通常的方法是对应六个换相时刻，将三个霍尔元件接人DSP的三路信号输入捕捉接口(CAP)，同时DSP设置双沿触发捕捉中断功能，就可以获得这六个换相时刻，在捕捉中断处理子程序中，根据表1所示的换相信息实现正确换相，电机就可以正常运转。 表1换相控制字与各开关管状态的关系 表1中换相控制字按照CAP3／CAP2／CAPl的顺序所得，显示三个引脚的高低电平，1为高，0为低，对应转子位置的六个区间。六个开关管分为两种状态，标志0为输出PWM，标志X为关断。可以看出同样的换相控制字下，电机逆时针旋转和顺时针旋转对应的开关管工作状态不同，也就是同时导通的两相绕组不同。 通常的方法中，开关管的运行状态的改变需要在如图4所示的霍尔元件上升沿或下降沿到来时触发捕捉中断的中断子程序中进行。 但是，在电机制动、有超调量或者突加负载时需要及时改变电机的转矩方向。假设在图4中箭头所指的M点需要改变电机的转矩方向，那么只能在HB上升沿或者HC下降沿到来换相控制字改变时才能实现。这样就无法及时响应转子转矩给定的变化，造成系统动态响应滞后。不能及时响应指令系统的命令会给系统造成损坏，严重的还会危及人身安全。电机高速时由于转速较快，霍尔元件边沿到来时频率较高，影响不很明显，低速时这种现象就很严重了，这是产生低速时转矩脉动的一个原因。 针对这个问题，本系统采取定时扫描转子位置的方法，也就是把三个CAP口配置为I／O口，在定时中断子程序中检测I／0 口的状态，得到霍尔元件的换相控制字，调用相应换相子程序，换相子程序根据顺时针旋转和逆时针旋转时对应开关管的不同运行状态，及时响应给定转矩的变化，提高了电机的动态响应速度和低速时动态性能。 同时，通常方法中电机起动过程需要通过三个霍尔传感器的输出来判断先给哪两相通电，并且给出一个不变的供电电流，直到第一次速度调节。这样造成起动时电流大小不可控，影响起动时快速性或造成超调量过大，造成电机无法自起动。应用本系统的方法实时检测转子位置，通过速度环电流环控制供电电流大小，起动电流可控，解决了无刷直流电动机无法自起动问题。 4实验结果及结论 选用电机参数如下：电阻R=0．262 7 Ω，永磁体磁链ψf=0．2 Wb，转动惯量J=0．001 kg·㎡，磁极对数p=5，图5为线电压波形，可以看出与理论结论相符，图6的上部分为相电流，下部分为霍尔元件信号，可以看出本文采用的方法也满足在霍尔元件信号边沿处电机相电流换相，满足电机两相导通三相星型六状态的120°导通方式。 图5线电压波形 图6相电流和霍尔元件信号 本文介绍了无刷直流电动机驱动控制器的设计方法，并针对研制中遇到的问题进行了分析和比较，主要解决了无刷直流电动机的换相和起动问题，速度检测采取M／T法，拓宽了调速范围。本系统应用到工业现场，鲁棒性强，满足要求。
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