無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。由于采用了面向電機(jī)控制的高速DSP，無論是速度環(huán)的設(shè)計(jì)，還是電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)，以及各種反饋信號(hào)的處理和PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無刷電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。

　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP初始化程序和電機(jī)控制程序兩部分。DSP初始化程序主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定，中斷向量的定義，I/O端口的初始化，控制寄存器的設(shè)置以及各功能模塊的初始化等；電機(jī)控制程序主要負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動(dòng)控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理等，因此電機(jī)控制程序包括啟動(dòng)子程序、電流和位置檢測(cè)中斷服務(wù)子程序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM調(diào)制子程序以及系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理子程序等。

　　進(jìn)行各種反饋信號(hào)的檢測(cè)是構(gòu)成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號(hào)、電流信號(hào)的檢測(cè)分別由位置檢測(cè)中斷服務(wù)程序和電流檢測(cè)中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通過軟件計(jì)算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。其控制環(huán)路簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4電流和速度控制環(huán)路

　　PWM調(diào)制子程序根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流信號(hào)通過事件管理器（EV）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)。通過定時(shí)器控制寄存器TxCON中的位模式將通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式以產(chǎn)生對(duì)稱的PWM波形。

　　2.4電機(jī)的啟動(dòng)方案

　　由于直流無刷電機(jī)在靜止及低速運(yùn)行時(shí)難以正確檢測(cè)反電勢(shì)信號(hào)，因此必須解決電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動(dòng)的問題。以往曾有多種啟動(dòng)方法，但有的要增加復(fù)雜的啟動(dòng)電路，有的則要與電機(jī)特性聯(lián)系密切，，實(shí)現(xiàn)起來難度較大、且可靠性較低。

本系統(tǒng)采用三段式的方法單純利用軟件來實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)，將電機(jī)的啟動(dòng)過程分為預(yù)定位、強(qiáng)制運(yùn)行與同步切換三個(gè)階段。在電機(jī)靜止時(shí)，轉(zhuǎn)子的初始位置未知，需要給設(shè)定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組合成磁場(chǎng)的軸線上，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置（即預(yù)定位）。然后按定、轉(zhuǎn)子磁極間正確的空間相位關(guān)系使相應(yīng)的功率器件導(dǎo)通，并以固定的時(shí)間進(jìn)行模式切換，在這段時(shí)間內(nèi)反電勢(shì)幅值較小，不宜進(jìn)行過零檢測(cè)。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　將前述控制方案應(yīng)用在直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)極對(duì)數(shù)為2，PWM載波頻率設(shè)為5kHz，最大輸出功率為2kW，調(diào)速范圍為15～～110Hz。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，具有良好的控制性能。圖5是無刷直流電機(jī)三相電壓的波形，圖6是無刷直流電機(jī)三相電流的波形，從波形圖中可以看出，輸出波形具有較高的質(zhì)量，從而表明該系統(tǒng)采用的控制策略和算法的可行性和和實(shí)用性。

圖5三相電壓波形

圖6三相電流波形

　　4結(jié)語

　　直流無刷電機(jī)具有效率高、功率密度大、功率因數(shù)高、體積小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍非常廣泛。直流無刷電機(jī)的控制技術(shù)正在從傳統(tǒng)的有位置傳感器的閉環(huán)PID控制過渡到無位置傳感器的智能控制，其調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、系統(tǒng)魯棒性等性能都在不斷提高。

　　在充分利用了TMS320LF240x的強(qiáng)大實(shí)時(shí)計(jì)算能力和片內(nèi)豐富的集成器件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于DSP的無位置傳感器直流無刷電機(jī)的控制方案，并給出了控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調(diào)速性能，可以獲得較好的動(dòng)態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)精度，運(yùn)行效率高，抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。