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基于TMS320F240的无位置传感器无刷直流电机控制系统


基于TMS320F240的无位置传感器无刷直流电机控制系统

作 者 : 黄 钦 (0400120411), 李 杰 孙 (0400120413), 唐 运 僧 (0400120424), 杨 溪(0400120428),张严峰(0400120430)

摘要:本文介绍一种基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统, 采用无刷直流电机 的端电压过零检测方法提取转子位置信号。利用DSP快速运算的优越性来处理反电动势的干 扰信号,采用预定位的起动方法并进行了详细分析。构建了电流速度双闭环系统,简述了实 现该控制系统的软件和硬件设计方案及控制策略。 关键词:无刷直流电机,无位置传感器,控制系统,DSP

引言
传统的无刷直流电机获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感器直接 测量,如霍尔效应器件(HED)、光学编码器、旋转变压器等。然而,有些传感器的分辨率低 或运行特性不好,有的对环境条件很敏感,如震动,潮湿和温度变化都会使性能下降,使得 整个传动系统的可靠性和精确性难以得到保证。 传感器还大大增加了电气连接线数目, 给抗 干扰设计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中由于空间有限,没有安装传感器的余地。 因此,在小型、轻载条件下,无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择并具有广泛的发展 前景。 在无位置传感器无刷直流电机控制系统中, 转子的位置判断和初始起动是两项关键技 术。本文采用美国TI公司TMS320F240数字信号处理器(DSP)实现控制,它集信号高速处理能 力、优化的外围电路于一体,适用于电机控制,可以为高性能传动控制提供可靠、高效的信 号处理与控制硬件。

一. TMS320F的结构及主要功 能
TMS320F240结构图如图1。 TI公司 的16位定点处理器TMS320F240是经过 优化专为电机控制开发的,该芯片包 括1个20MIPS的处理器, 2个10位的A/D 转换器, 1个特别用来做控制的事件管 理器。采用哈佛结构的双总线形式, TMS320F240可以在1个周期内同时取 指令和操作数,使DSP的速度提高到 us(微秒级的微处理器)的2倍以上。

归纳起来它具有以下特点:

1) 运算速度快,指令周期为50ns; 2) 32位中央处理单元,16位定点运算; 3) 指令丰富,具有单周期循环指令,单周期乘功口指令和快速FFT变换寻址能力; 4) 程序控制采用四级流水作业,具有6个外部中断源和八级硬件堆栈; 5) 544字x16位片内RAM,16Kx16位片内FLASH EEPROM, 224K字x16位最大可寻址存储空 间; 6) 双10位A/D转换器,总的转换时间小于10ns; 7) 事件管理器中具有12路比较式PWM发生单元,3个16位通用定时/计数器,4个捕获单 元; 8) 内置锁相环时钟单元和看门狗实时中断模块; 9) 具有穿行通讯接口和串行外设接口; 10) 28个可编程复用1/O口。 高速的DSP主要用在电机无传感器控制和磁场定向控制中,因为在无传感器控制中需要 用已知的电流和电压实时计算速度和位置, 而在电机磁场定向控制中, 需要把所有的变量以 矢量形式转化到与定子旋转磁场同步的坐标系中,这些都需要进行大量的运算,高速的DSP 可以实时完成这些工作。

二.无位置传感器无刷直流电机的控制策略
2.1 转子的位置检测 无刷直流电机的位置检测方法主要有以下几种:端电压积分法、电压过零检测法、基于 开路相二极管开关状态的位置检测、电流检测法、三次谐波电压检测法等。 本文中采用的是端电压过零检测法。 利用反电势瞬时过零时, 开路相的端电压等于三相 的中点电压, 从而检测出一位置特征点并经过30度延迟后作为一开关信号。 该方法对电机稳 态工作较为简单适用, 但要进行深度滤波。 由于模拟低通滤波器会导致相移和转子位置信号 不准确,从而导致电机产生较大的转速脉动,难以达到理想的调速性能。本文采用DSP控制 无需进行深度滤波,只需滤去高次谐波,30度延迟由程序产生而不是由滤波电路产生,因此 可以克服以上的缺点。 图2所示为无刷直流电机三相桥式拓扑主电路原理图。

无刷直流电机电枢绕组中的激磁电势为梯形波,其平顶为120度的电角度。转子的位置 信息可由检测断路相反电势信号得到。为保证一相断路,系统采用二二导通、三相6状态的 PWM调制方式。逆变器每相输出的电流为120度的矩形波,因此合理控制逆变器的触发顺序, 才能使相电流和激磁电势的相位保持同步。 如下图电机转矩脉动最小, 且特性和一般的直流 电机相类似,此时无刷直流电机处于最佳的换相逻辑,图3为口相电流和反电势波形。

2.2 无位置传感器无刷直流电机的起动 无位置传感器无刷直流电机一般利用检测电枢绕组中的反电势作为转子的位置信号, 但 电机不转时无法检测到反电势信号,电机无法运行。无刷直流电机的起动有以下两种方法: 外同步方式起动和预定位方式起动。 无刷直流电机的外同步驱动方式需要人为地给电机施加 一由低频到高频不断加速的外同步切换信号, 使电机以外同步方式由静止逐步加速运转。 当 电机的反电势建立起来时, 通过端电压检测己经能够确定电机转子的位置, 这时把电机由外 同步运行方式转换为电机的自同步运行方式。 在切换时若三相外同步信号与位置检测电路的 三相同步电路的相位差过大就会导致换相失败使电机失步而停转。 外同步起动方式是以变频 方式同步拖动电机转子旋转, 电机产生一定的初始速度和电动势。 这种起动方式需要经过多 次的试验才能获得最佳的切换点, 而且电路较为复杂。 电机的转子初始位置决定了逆变器第 一次应触发哪两个功率器件。 在没有传感器时转子的初始位置是不知道的, 可以先把逆变器 的某两相导通, 即给预先设定的两相电枢绕组通以持续的电流, 经过一定的时间后转子就会 转到一个预知的位置, 即转子磁极固定在该两相绕组所产生磁场的轴线上, 以此作为转子磁

极的初始位置。这样起动时就可按定、转子磁极间正确空间相位关系输出PWM逆变器触发脉 冲,导通有关功率器件。这就是无位置传感器无刷直流电机的预定位起动方式。无位置传感 器无刷直流电机预定位起动的DSP程序实现分以下步骤: 1)对电机进行预定位; 2)计算电机的初始移相时间; 3)给临近初始转子位置的60度扇区供电并迅速起动反电势过零检测。 在转动以后计算移相时间,用所得的值来替换初始移相时间,完成起动。

2.3 外部信号的程序流程 中点电压的计算要求知道三相端电压对地的瞬时值。 下面将解释DSP的ADC单元是如何完 成这项工作的。本文DSP输出的PWM频率为20kHz,PWM周期为50us,电流环的周期为200us。在 一个电流环周期内有4个PWM周期,在第一个PWM周期中不采外部电路的值,不进行ADC中断, 在第2, 3, 4个PWM 周期中进行ADC中断,通过ADC单元采集外部信号。程序的中断时序见图 4,在第 2, 3 ,4 PWM周期中,当全比较发生周期匹配时起动ADC中断,进行信号的采集和转 换。在第一次ADC转换中采集A相端电压和电流信号的值,在的第二次ADC转换中采集B相和C 相端电压的值,在第三次中采集给定电压的值。

三.无位置传感器无刷直流电机双闭环控制的实现
3.1 速度调节 电机每转有6个换向信号, 相隔两个换向信号之间为60度。 速度可以被写作: 为60度, 。

为两次换向之间的时间。所以速度传感器被简化为一个简单的除法,因为定点

运算中没有除法运算指令, 除法运算可由代进位的减法来完成。 速度反馈信号与给定的速度 参考值相减可得速度误差信号。 3.2 电流调节

电流的调节过程也就是PWM信号的调节过程, 通过调节PWM信号的宽度就可以改变电流的 平均值,PWM信号的宽度由电流参考值和电流反馈信号的差值决定。

四.结论
本文给出了基于DSP的无位置传感器的无刷直流电机控制系统的软件和硬件设计方案及 基本的控制策略。 采用端电压过零检测方法提取转子位置信号, 采用预定位的起动方法并进 行了详细分析。 根据本文的设计方案设计的无位置传感器无刷直流电机控制系统可得到了良 好的控制性能和动态特性。

参考文献
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