基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制

摘要：首先对无位置传感器永磁无刷直流电机(BLDCM)转子位置检测及起动进行了研究，介绍了其原理及实现方法，接着介绍了一种基于TMS320LF2407的无刷直流电机控制系统，最后给出了实验结果。

1无位置传感器换相控制

1．1反电势过零检测法

   所研究的控制系统中，无刷直流电机定子绕组采用星形接法，其电枢绕组中具有梯形的反电动势波，在任何时候其三相绕组中只有两相导通。为保证这一方式，每相绕组正反向分别导通相断路，系统采用两两导通、三相六状态PWM调制120°电角度。在忽略永磁无刷直流电机电枢反应影响的前提下，通过检测未导通一相的反电动势过零点，来一次获取转子的太个关键位置信号，并以此作为逆变桥功率器件的触发信号轮流触发导通，实现电机的正确换相，以驱动电机运转。反电动势检测电路如图1。

   图1反电动势检测电路

   实际上该电路是一个简单的端电压分压电路，电容C起滤波作用(pF级)。R1、R2为分压电阻，端电压Vχ经分压滤波后的V0直接连至TMS320LF2407芯片ADC模块的测量通道，经过ADC转换得到端电压信号。

   在反电动势过零瞬间，对于未导通相其反电动势的计算公式为：

式中，Enon-fed一未导通相反电动势；

     Vnon-fed一未导通相定子端电压；

     Va、Vb、Vc一三相端电压；

   由式(1)可知，只要测量出三相端电压，然后由程序计算未导通相端电压与三相端电压总和三分之一的差值即可得到为导通相反电动势值。当该值为零时即表明检测到反电动势过零点。

1．2算法的软件实现

   首先给出定子端一相反电动势波形如图2所示。感兴趣的只是反电动势的过零点，而并非反电动势波形上的所有点，这样在程序中只需根据式(1)确定反电动势符号改变的时刻，即可认为已检测到过零点。过零点检测周期在程序中设定为50μs，这一周期相对于反电动势周期而言极小，检测误差可忽略不计。例如，对本文所研究的六极电机(额定转速2000r／min)，最小反电动势周期为10ms，对应最大检测误差为0．005，可见该误差很小，可忽略。但是，电机转速越高，极数越多，反电动势周期则越小，50μs时对应的检测误差也就越大，这时只要适当减小过零检测周期即可满足检测误差的要求。必须注意反电动势过零点还不是换相点。由图2的反电动势波形容易看出从反电动势过零点延时30°电角度即得到换相点，从而实现无位置传感器无刷直流电机的正确换相。

  图2定子三相反电动势波形

2  BLDCM起动过程研究

2．1起动方式原理

   本文采用起动方式为升频升压的同步起动方式。升频升压的同步起动方式是参照同步电机的变频起动来设计的。它是由DSP本身自带的事件管理器产生PWM波形控制逆变器，在一开始就将电机拉到同步，同时将逆变器的换向频率慢慢增大，而且给无刷直流电机的定子电压开始很小，逐步升高，从而使电机转子速度逐渐增大，这样无刷直流电机就可以实现类似永磁同步电机的开环变频起动，等到电机定子上的电压足够大时，即电机转子已经达到一定速度，能使DSP的A／D转换器件检测到足够大的反电动势，此时就可以适时地将电机切换到反电动势检测控制的正常闭环运行状态。

2．2起动的软件实现

   由于脉冲宽度是由比较寄存器中的值决定的，如图3所示。因此，可以先修改比较寄存器的值使PWM波形的脉冲宽度不断增大，这样加在定子端的等效电压就逐渐增大，从而也就实现了电机定子的逐渐升压。同时再利用寄存器存放换相时间，一开始令电机的换相频率非常小，使电机首先进入同步状态，然后采用开环控制的方式，使电机的换相频率逐渐增大，这样就使电机在同步状态下实现了变频起动。与此同时，还可以在利用一个寄存器存放一个固定值，这个值代表着电机的定子电压达到一定的大小，在电机起动的过程当中，不断的将PWM发生器中的比较值时，就认为电机的定子端电压寄存器的值与它作比较，当达到一定的数值，电机有了一定的转速，电机的反电动势也达到了一定的大小，此时，就可以将电机切换到反电动势检测的自控运行方式。

   图3通用定时器产生的对称PWM波形

3控制系统原理

   系统采用TMS320LF2407为控制芯片，加上必要的外围电路，组成一个简单的无刷直流电机数字控制系统，如图4所示。

  图4控制系统原理框图

   系统采用两两导通，三相六状态的PWM调制方式，电机起动后，由反电动势检测电路经ADC转换所测量得到的端电压信号经程序计算得到反电动势过零点，进而计算得到换相点，按照换相规律，由程序控制输出正确的PWM方波，经驱动电路控制相应功率开关的通断，实现对电机的正确馈电，控制电机正确运行。

4实验分析

实验电机为24V，60W，额定转速为2000r／mrin的三相六极无刷直流电动机。定子相电阻R=O．9Ω，相电感L=1．4mH，转动惯量J=1．57×10⁻⁵kg·㎡。

为了便于比较带位置传感器和无位置传感器控制系统的控制效果，该实验电机制造时在转子上安装有3个霍尔传感器。分别用本文设计的无位置传实验结果表明基于TMS320LF2407芯片的无位置传感器数字控制系统能够控制电机顺利起动，起动时间不超过3秒，并且很好地实现了实验电机的正确换相和稳定运行。从波形比较图可以看出，设计的感器数字控制系统与纯硬件控制系统作了一个比较实验，当电机稳定运行在2000r／min时，用示波器分别测量电机的端电压波形如图5所示。系统所对应的端电压波形更加平稳，其控制效果甚至要好于纯硬件的控制系统。

a)不带位置传感器                      b)带位置传感器

图5定子三相端电压波形比较