《電子技術(shù)應用》
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無傳感器單電流檢測的無刷直流電機控制
摘要: 直流電動機以其優(yōu)秀的線形機械特性,、較寬的調(diào)速范圍,、大的啟動轉(zhuǎn)矩,、控制方法較簡單等優(yōu)點,,在各種驅(qū)動,、伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應用[1],,但傳統(tǒng)的直流電機中的電刷和換向器由于直接接觸,、摩擦造成的磨損,、火花,、噪聲等是一個不可忽視的問題,。永磁無刷直流電機(PMBLDCM,以下直接簡稱為BLDCM)利用電子換向替代了機械換向,,沒有磨損,、火花,噪聲大大減小,,目前有著大量的應用,,但如何實現(xiàn)最低成本的最優(yōu)化控制,迄今為止尚無完美的解決方案,。本文給出了較之大部分控制方法成本更加低廉,、結(jié)構(gòu)更加簡單的解決方案,并通過實驗進行了驗證,。
Abstract:
Key words :

1 概述

      直流電動機以其優(yōu)秀的線形機械特性,、較寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)矩,、控制方法較簡單等優(yōu)點,,在各種驅(qū)動、伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應用[1],,但傳統(tǒng)的直流電機中的電刷和換向器由于直接接觸,、摩擦造成的磨損、火花,、噪聲等是一個不可忽視的問題,。永磁無刷直流電機(PMBLDCM,以下直接簡稱為BLDCM)利用電子換向替代了機械換向,,沒有磨損,、火花,噪聲大大減小,,目前有著大量的應用,,但如何實現(xiàn)最低成本的最優(yōu)化控制,迄今為止尚無完美的解決方案,。本文給出了較之大部分控制方法成本更加低廉,、結(jié)構(gòu)更加簡單的解決方案,并通過實驗進行了驗證,。

      對于無刷直流電機,,控制方法的核心是要獲得電機位置或速度的實時信息。目前獲得位置,、速度信息的方法主要有兩種:1.依靠霍耳元件或者碼盤來獲得位置,、速度信號[2],這種方法比較直觀簡單,,但是存在如下問題:增加了器件成本,在無法加裝傳感器的時候無效;2.無傳感器(Sensorless)方法,,即不加裝傳感器,,目前主要有反電動勢過零檢測法[3][4]、三次諧波分析法[5],、Kalman預測法[6],,而這幾類方法大都局限于反電動勢為梯形的BLDCM,而且有的需要加裝特別的外部電路[3][4],,在一些場合下無法實現(xiàn),;有的算法復雜,會造成較大的實時誤差[6],,也不是很實用,。目前一些公司如NEC,Renesas已經(jīng)開發(fā)出了針對正弦反電動勢BLDCM的無傳感器的控制芯片,,但是價格貴,,調(diào)試繁瑣,升級不方便是很大的問題,。本文給出了一種新的針對正弦反電動勢電機的控制方法,,控制采用了TI公司DSP芯片(TMS320LF2407A),核心代碼完全用C語言開發(fā),,便于調(diào)試,、升級,同時實現(xiàn)了很好的啟動和調(diào)速功能,,并對整個電路進行了最大的簡化,,無需加裝特別的采樣電路,利用系統(tǒng)中的電路保護電阻完成對電流的采樣,。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜述

      參考圖1,,本系統(tǒng)中通過單電流采樣,在DSP中實現(xiàn)電流鑒別算法和濾波算法,,得到對應的三相電流,,通過速度位置估算算法計算出電機轉(zhuǎn)子的當前位置和速度,然后利用PI反饋算法生成新的PWM作用于電機之上,,完成一個控制流程,。這樣循環(huán)往復,實現(xiàn)了電機從啟動到正常運轉(zhuǎn)以及調(diào)速的功能,,下面將分別闡述各部分的原理與實現(xiàn),。




圖1 BLDC控制系統(tǒng)示意圖

3 單電流采樣的實現(xiàn)

      如圖2所示,電機的驅(qū)動采用了七段式的空間矢量法(SVPWM,,Space Vector PWM),,利用六個依次相差60度的基本矢量和全0矢量(與全1矢量等效),,根據(jù)不同的作用時間合成按給定轉(zhuǎn)速作圓周轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)矢量。



圖2 SVPWM波形生成及單電流采樣示意圖

      從上圖中我們可以看出,,一個SVPWM周期可以劃分成七個小的時間段(此即七段法名稱的由來),,不同的時間段對應不同的開關(guān)管控制電壓,不同的控制電壓造成了逆變電路中功率開關(guān)管不同的通斷狀態(tài),,而不同的通斷狀態(tài)則對應著不同的電流流向,,因此只要我們知道了當前的電流流向狀態(tài),就可以從兩次不同時間的采樣電流(分別對應若干電流之和)中提取出需要的電流,。以第0扇區(qū)為例(如圖2右側(cè)所示),,在第一次電流采樣中得到了Iu,第二次得到了(Iu+Iv),,由于在很短的時間內(nèi),,電流不會發(fā)生突變,這樣就可以根據(jù)(Iu+Iv+Iw=0)推算出三相電流,,完成了單電流采樣(One-shunt current detection),。

      這一算法簡潔明了,但也存在著一定的問題:第一,,在采樣的過程中往往會引入較多的噪聲,,需要進行濾波;第二,,存在扇區(qū)邊界切換問題,,我們從圖2中可以看出,在旋轉(zhuǎn)矢量跨越邊界的時候,,由于某一基本矢量作用時間太短會導致采樣無法完成,,這個時候,可以通過限制作用時間最小值來保證采樣過程正常進行,,但這樣必然會使生成的正弦波發(fā)生畸變,,我們通過簡單的濾波(例如限制兩次電流采樣值的差異幅值,根據(jù)歷史值修正新值等)去掉畸變點,,可以實現(xiàn)很好的效果,。

      實際采樣以及濾波處理結(jié)果如下(圖3),從圖中可以看出通過濾波達到了很好的電流檢測效果,,完全可以滿足進一步的控制需求,。


  
圖3單電流采樣電流結(jié)果(未濾波與濾波后的比較)

4 無位置、速度傳感器下電機控制方法詳述

      這里將從電機的初始化啟動,、正常運轉(zhuǎn)和調(diào)速三個方面敘述電機控制的全過程,,并給出電機控制算法的流程圖,讓讀者更能夠從整體上了解這一控制方法,。

      啟動過程:由于整個系統(tǒng)沒有傳感器以獲得電機的實際位置,,如果從任意位置啟動,,可能會造成電機反轉(zhuǎn)甚至啟動完全失敗,因此需要對電機轉(zhuǎn)子位置進行初始化,,即把后面控制算法中涉及到的轉(zhuǎn)子角度的初始值清零,。我們采用的初始化方法是生成一個固定的PWM脈沖序列,,該序列的特點是只作用于在某一相,,最后將電機鎖定于某一磁極,達到了初始化的目的,。

      正常運轉(zhuǎn):目前我們采用TI公司的TMS320LF2407A作為控制的DSP,,該DSP本身具備PWM 控制寄存器,通過較簡單的程序就能完成前面所述的七段法SVPWM波的輸出,。
整體控制算法流程如圖4所示:




圖4控制算法流程


      電機通過單電流采樣得到兩個采樣電流值,,通過電流識別方法,計算出三相電流,,利用Clarke和Park變換將電流映射到d,、q坐標系下,估算出角度和速度值,,通過結(jié)合了積分分離的PI控制算法,,完成對電機的反饋控制,然后經(jīng)過Park逆變換,,控制生成了新的SVPWM波,,完成一次循環(huán)。這里用到的位置,、速度估算函數(shù)由于篇幅所限,,將另做描述。

      調(diào)速的方法:在電機運轉(zhuǎn)過程中,,當需要調(diào)整轉(zhuǎn)速時,,我們采用分段加減速的方法,將給定目標速度和電機當前速度之間分成若干小段,,逐級進行調(diào)速,,從而達到很穩(wěn)定的調(diào)速效果。

5 實驗結(jié)論及進一步的工作

      目前我們已經(jīng)在一臺92BL(1)C50-15H的BLDC上實驗成功了上述控制算法,,完成了從啟動到正常運轉(zhuǎn),、加減速、拖動負載的全部工作,,電機運行平穩(wěn),,噪聲小,輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,。我們測試了雙電流采樣和單電流采樣的方法,,均達到了理想的效果,。目前正在進行將控制方法移植到空調(diào)壓縮機上的嘗試,已取得初步成功,,下一步將改進算法,,增加諧波補償功能,使電機運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn),,測試對更多種型號電機的控制,,并考慮進行工業(yè)上的應用。

      本文作者創(chuàng)新點:采用電機保護電路電阻作為唯一的電流采樣電阻,,結(jié)合單電流采樣鑒別算法得出三相電流,,實現(xiàn)了對反電動勢為正弦波的BLDC的無傳感器控制。

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