电机数字控制系统集成设计Word文档格式.docx
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2011.5.10
哈尔滨工业大学
无刷直流电机数字控制系统集成设计的分析
摘要：
本文以“方波原理”无刷直流电动机系统为例，分析电机数字控制系统的集成设计思想、原理、结构特点和驱动控制方法。
其中，驱动控制方法主要分传统的位置传感器和无位置传感器控制技术。
传统方法主要是采用基于TI公司的TMS320F2812DSP控制系统，包括了硬件电路和软件电路的设计。
无位置传感技术这里主要介绍反电动势检测法，并且用基于数字信号控制器DSPIC30F6010的实例进行了分析总结。
1无刷直流电机的背景
无刷直流电机是近年来随着电力电子的发展和新型永磁材料的出现而迅速发展成熟的一种新型电机。
无刷直流电机以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换相，它既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病。
无刷直流电机还具备诸多独特优点，如重量轻、体积小、动态性能好、输出力矩大、设计简便等特点，故其应用遍及各个领域。
电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展使得电机调速技术得到很快的发展。
新的电力电子器件、高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件越来越少，控制器件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低，原来使用有刷直流电机的场合，逐渐由无刷直流电机所代替。
在仪器仪表中采用的小型交流异步电机风扇，目前已有很大一部份被结构简单、尺寸紧凑、效率更高的无刷直流电机风扇所代替。
随着家用电器的竞争越来越激烈，使得对其性能、质量的要求越来越高提高，对大量应用的电动机也提出了低噪声、高性能、长寿命、小型化、高效节能的要求，这也促使采用无刷直流电机来代替性能差、效率较低的异步电机。
无刷直流电机的发展已经与大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型电机控制理论和电机理论的发展紧密结合，体现着当今应用科学的许多最新成果，因而显示出广泛的应用前景和强大的生命力。
2无刷直流电机数字控制系统发展现状
无刷直流电动机的控制有别于有刷直流电动机或交流感应电机，它需要一些位置传感信息来选择正确的换流顺序。
传统的无刷直流电动机通过位置传感器信息来选择正确的换流顺序。
但是位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机小型化；
同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能。
另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；
由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。
针对位置传感器所带来的种种不利影响，为适应无刷直流电动机的进一步发展，无位置传感器控制技术应运而生。
近年来，无刷直流电动机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。
无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方式得到转子的位置信号、确定逆变器功率管的切换，进而对定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。
在无位置传感器的控制方式中，研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件的方法，构建转子状态量的检测电路。
由于可以直接测量到的一般只有相电压和相电流两个量，因此，国内外目前所提出的控制方法绝大部分是基于以上两个观测量的。
有多种算法可以实现无位置传感器控制。
反电势法和状态观测器法都能比较方便、直观的得到转速信号和位置信息，这两种方法也是目前使用最为广泛的控制方法。
尤其是反电势过零点检测法，其原理简单，易于实现，在无位置传感器直流无刷电机控制系统中得到了普遍的应用。
此外，国内外还提出了许多新的方法与技术，如涡流法，电流法以及矢量法等控制方法。
但这些方法实现起来难度较大，应用条件比较苛刻，只适用于特定的应用场合，因此应用不是很广泛。
智能控制包括矢量控制、模糊算法、人工神经元网络和专家系统等，是目前学术界研究的热点。
由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究。
其中，经典PID控制与模糊算法结合所组成的Fuzzy-PID控制、人工神经元网络和模糊控制相结合的复合控制以及人工神经元网络与数字滤波相结合的自适应控制等控制方法代表着当前智能控制的研究方向。
无刷直流电动机控制器的使用经历了分立元件的模拟电路，专用集成电路和以微型计算机为核心的数模混合控制与全数字化控制几个阶段。
DSP器件的出现，使得电机控制系统的处理能力有了很大的提高。
DSP具有强大的运算能力，和普通的MCU相比，运算及处理能力增强了10~50倍，因此在其控制策略中可以使用先进的实时算法，如Kalman滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实时性。
近年来，国外一些大公司纷纷推出比MCU性能更加优越的DSP（数字信号处理器），如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的C2000系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。
它们都是将DSP内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片内，使设计的硬件成本大大降低且体积缩小。
从而使DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受。
目前，采用DSP实现无位置传感器控制成为电机控制研究的热点，低成本DSP无位置传感器无刷电动机，成为无刷直流电动机的发展方向。
集成控制芯片由于它的经济性也是广泛应用的方向。
3无刷直流电机的原理和结构特点
3.1永磁无刷直流电机的运行原理
一般的直流电动机由于电刷的换向，使得定子磁场在电机运行过程中始终保持与电枢磁场垂直从而产生最大转矩，使电机运转。
无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。
无刷电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。
随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电动机运转起来。
无刷直流电机的工作原理以图1来进行说明。
反电势和电流波形如图2所示。
图1无刷直流电机系统框图
图2无刷直流电机反电势和电流波形图
它的运行原理简述如下：
当转子处于图3（a）所示的位置时，功率开关管T1、T6导通，定子磁势Fa和转子磁场Br1的夹角为120度电角度，定子磁势于转子磁场相互作用产生电磁转矩。
该转矩使转子向定子磁势轴线方向旋转。
随着定子的转动，Br1与Fa之间的夹角逐渐减小，当转子磁场处于Br2位置时，也即定子磁势与转子磁场的夹角为60度电角度，绕组开始换流，由T1、T6导通变成T1、T2导通，定子磁势跳跃前进60度变成图3（b）所示的位置定子磁势Fa与转子之间的夹角又变成120度电角度。
依次类推，由位置传感器提供转子位置信号，每隔60度即六分之一电周期，功率开关切换一次，使电机电流所产生的定子磁势Fa跳跃前进60度电角度，进而使转子持续旋转。
由于定子磁势呈步进运动，所以产生的电磁转矩将产生波动。
图3无刷直流电机的六个工作状态
3.2永磁无刷直流电机的结构特点
永磁无刷直流电机实质上可以看作是一台用电子换向器取代机械换向的有刷直流电机。
有刷直流电机电枢绕组的导通逻辑是通过机械换向器与电刷的相互配合，使转子电枢线圈在不同磁极下的作用力保持一致，使得电机稳定运行。
在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。
要使永磁无刷直流电机的转子所受的电磁力保持一致，就必须根据每个时刻转子磁极位置来确定电枢绕组的导通逻辑，所不同的是，此时电枢绕组是安装在定子上，其本身不能旋转，要通过电子换向装置变换其导电顺序及分配导通规律。
直流无刷电动机一般由控制器、转子位置检测器和电动机本体三部分组成（如图4所示），控制器一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。
工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机，实现机电能量的转换。
图4永磁无刷直流电机系统框图
如图5所示，永磁无刷直流电动机的控制系统由主回路，永磁无刷直流电机本体，转子的位置传感器，三相逆变电路，驱动电路，和计算机控制系统组成，其中计算机控制系统包括典型的转速、电流双闭环、PWM生成器等。
图5无刷直流电机控制系统的拓扑结构
4无刷直流电机的控制方法
由以上的简单分析看来，无刷直流电机根据它的运行原理和结构特点，可以有很多的控制方法。
而区分各种控制系统方法的关键主要是位置信号检测技术。
无刷直流电机转子位置信号的检测主要有两种方式：
一种是通过传感器检测
位置信号；
另一种则是无位置传感器检测位置信号。
4.1有位置传感器检测的控制方法
如图6所示的就是，用霍尔位置传感器检测无刷直流电机位置信号的一个典型的控制系统框图。
永磁无刷电机控制系统的硬件主要由控制和功率驱动两大部分组成。
控制部分主要包括控制核心、外设接口电路、电流电压采样电路等。
功率驱动部分包括辅助电源、集成功率模块（IntegratePowerModule,IPM）、功率保护电路等。
图6无刷直流电机控制系统硬件框图
上图的控制系统是采用TI公司的TMS320F2812DSP作为数字控制系统，作为数字处理能力十分强大的这款芯片完全可以满足无刷直流电机的控制精度和要求。
传统的控制方法就是利用DSP来进行的，已经有很多的论文运用了这一技术。
再通过具体的参数要求进行控制系统的硬件设计和软件设计，就完成了控制系统的设计。
硬件设计主要包括：
电源模块、串行通信模块、采样电路设计、功率器件及其驱动电路、辅助电源、系统保护电路等；
控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分配合才能构成一个完整的控制系统。
软件设计、硬件设计、控制算法设计及系统调试是一个交互的过程。
软件设计主要是根据无数直流电机的特点，采用了转速、电流双闭环调速系统。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；
转速环在外边称作外环。
为了获得良好的静态、动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器，如图7所示。
图7无刷直流电机转速控制系统框图
以TMS320F2812DSP控制系统为例，软件程序采用C语言编写，包括五部分：
主程序、PDPINT中断、定时器T1周期中断模块、T2定时器周期中断、捕获中断模块。
系统使用TMS320F2812DSP控制器16个可屏蔽中断中的INT1,INT2和INT3。
INT1为PDPINT中断；
INT2为T1周期中断；
INT3有四个中断源，分别为T2周期中断、CAP1捕捉中断、CAP2捕捉中断和CAP3捕捉中断。
图8主程序流程图
图9PDPINT中断服务程序流程图
图8~11分别给出了软件设计中，主程序和各个中断子程序的程序流程图，十分清晰地给出了软件设计的工作。
图10T1中断服务程序流程图
图11捕获中断服务程序流程图
4.2无位置传感器检测的控制方法
无刷直流电机的运行，并不需要连续的位置信号，而只需检测所需换相时刻即可，这样可以通过监测电机的某项量来检测转子位置，该量必须随转子位置化而改变，且理想的情况是该值在电周期中与转子位置能建立一一对应的关系。
而对于方波原理的无刷直流电机系统，基于反电势的位置估算器是目前比较好的一种方法。
和上一种方法对比，反电势的位置估算法只是在电机的转速估算上有差别，其他的部分都还是双闭环系统，如下图12。
图12无刷直流电机控制策略（无位置传感器）
下面就简单介绍一下，反电动势过零检测技术。
这种方法是比较实用的。
首先，这种技术适应于多种电机；
其次，理论上，Ｙ连接和△连接的三相电机都可以使用这种技术实现控制；
再者，采用反电动势过零检测法，不需要详细了解电机特性，对电机制造容许公差要求也不太严格且对电机的电压控制和电流控制都有效。
图13基于端电压的反电动势检测电路
电机在任一时刻只导通两相且流经这两相的电流大小相等方向相反，而另一相悬空无电流，故只需对另一相的端电压进行采样，就可以得到反电势过零时刻，端电压的反电动势过零检测电路如图13所示，当A相内流过正向电流，B相内流过负向电流时，VF1和VF4将受到控制，与图14中0区域相对应。
假设每相的开关和二极管压降都相等且三相完全对称，此时，星型连接中心点的电压值是0.5Ud这样反电动势的过零点将被偏置0.5Ud可通过如下的方式实现反电动势过零检测：
①通过分压器和A/D转换器来监测所有三相的端电压和母线电压；
②在相应的区域段内检测相反电动势何时经过0.5Ud；
对于永磁结构的电机，反电动势的大小依赖转子位置。
如果可以精确的检测反电动势，就可以得到转子位置信号，从而控制电子换向开关的动作。
三相无刷直流电机的反电动势为梯形波，当任意时刻只有两相导通而另一相悬空时，可以方便的检测出悬空相的反电动势，而悬空相反电动势的过零点，再延时30°
电角度即为换相时刻。
由于电机的一个通电周期有六种工作状态，且每种状态呈现一定的对称性或重复性，因此只需对一个状态进行分析。
当VF3、VF6导通时，A相悬空，电流从VF3流入B相，经C相从VF6流出。
此时三相的端电压为：
un为电机中性点电压，Ud为直流母线电压，ea表示A相的反电动势，电压都以直流母线负端为参考点。
将非导通相端电压与电机中性点电压比较可以获得反电动势的过零点。
由于中性点电压不能直接获得，在实际的应用中，一般是用等价的中性点与端电压进行比较来获得反电动势过零点。
等价的中性点可以是连接到电机三相的星型电阻中性点，也可以是Ud/2或者（Ua+Ub）/2。
电机端电压、电压中性点受PWM逆变
器的影响，含有高频分量，因此必须使用低通滤波器滤波。
反电动势的幅值和转速成正比，在电机停转时反电动势为零，所以，这种方法在低速范围内无法有效检测反电动势过零信号。
当转速增加时，激励的频率也增加，而采集端电压的滤波器阻抗随着激励频率的变化而变化，当转速过高时，滤波延时将影响到单位电流所产生转矩的能力，使电机不能正常工作。
因此采用这种方法，电机工作的转速范围有限，而通过一定的方法，对相位进行补偿，则可以取得较好的效果。
5总结
无刷直流电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是相对于其它类型电动机，还是一种新型电动机，有着更优越的性能。
本文首先系统地阐述了无刷直流
电机的基本构成、基本工作原理及运行特点，接着对其控制方法进行了探讨。
本文主要是在传统的控制方法的基础上，分析了无位置传感器的应用，具体主要是反电势过零测试法。
减小了复杂的硬件和费用，增加机械鲁棒性和驱动系统的可靠性，减少维护的需要，不增加系统惯量，消除噪音。
无刷直流电机通过数字控制系统的集成设计在许多领域都有了以前所达不到的水平。
在医疗、工厂等具有高要求的场合，这样的应用就会更加的明显，前景十分广阔。
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