基于DSP的无刷直流电动机的控制设计

基于ＤＳＰ的无刷直流电动机的控制设计　酞阳文　谭菲蛙盎如麟，等　伺服技术・ＳＥＲＶＯ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　基于ＤＳＰ的无刷直流电动机的控制设计　欧阳文，谭第娃，金如麟，姚若萍　（上海交通大学，上海２００２４０）　摘要：无位置传感器无刷直流电动机的控制实现方案一直是近年的研究热点　文中介绍丁一种新颖的　电流诖　＾方式求得凸极转子位置的检测方法，并给出了基于ＤＳＰ的无剃直流电机无位置传感器的控制方案及其软硬件设　计。　关键词：无刷；无位置传感器；凸极；数字信号处理器　中围分类号：ＴＭ３０１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００１．６８４８（２００２）Ｏｌ一００２９　０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＢＬＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ＯＵＹＡＮＧ　Ｗｅｎ，ＴＡＮ　Ｆｕ－－￣，ｖａ，ＪＩＮ　Ｒｕ—ｌｊｎ，ＹＡＯ　Ｒｕｏ—ｐｉｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｔ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ［￣ｎｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ］ｅｓｓ　ＢＬＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｈｏｔｓｐｏｔ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｆｈｅ　ｐａｐｅ　ｒ　ｄｅａｌｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｊｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂｙ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅｓ　ｏｆ　ｓａｌｉｅｎｔ　ｐｏｌｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ］ｅｓｓ　ＢＬＤＣ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ｉｓ　ｏｆｆｅｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ；ｓｅｎｓｏｒ［ｅｓｓ；　ａ【ｊｅｎｃ　ｐｏｌｅ；ＤＳＰ　１　引　言　困难，当速度有波动时，所得的估计值误差较大．而　且，当电机处于静止时，有时需要特殊的启动程序来　当前．电机行业发展的一个趋势是在系列产品　满足一定的启动条件。　中采用经济实惠的无刷电机控制系统，而现代控制　这里，将介绍一种无位置传感器的凸极无刷直　器及其算法的应用为实现这一目标提供了支持，　流电机的控制方案　通过对电机电流加人弱交流电，　ＤＳＰ的出现，推动了这个极其庞大市场的发展，提　如文献［１］介绍，在绕组导通的状态期间．采用一定　高了经济效益，降低产品成本和功耗。德州仪器　的调制频率对其进行脉宽调制，就可以依据　、　轴　（ＴＩ　Ｊ推出的专用数字信号处理器ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ，拥　的电感的差值来估计转子位置角。人们简称这种方　有合理的电机控制器配置，可应用在众多的设备之　法为“电流注人法”。　中，　在静止和运行态下转子位置估计方法“　２原　理　圈１给出了电机的分析模型，其中定义了３套　坐标系统：“一　—ｚ“，　一卢，ｄ一　。　无刷直流电动机在运行时，需要转子的位置信　号，以控制逆变器中功率管的换流，从而实现定子磁　场与转子的同步运行。多数无刷直流电机都是靠位　ｑ　置传感器来实现转子位置的检测，这些传感器不仅　增加了成本，使系统连接更加复杂，而且，由于传感　器本身存在的缺陷，如精度不够，对环境条件敏感，　使得整个系统的可靠性得不到保证。　常用的无位置传感器控制策略是基于反电势检　圈１　坐标系与转子位置的关系　测的方法，由于反电势在低速运行时很弱，检测会有　在同步旋转的　—ｑ坐标系统中，凸极无刷直流　电机的电压方程可表达如下：　收稿日期：２００１　１２　１５　维普资讯 http://www.cqvip.com

撒电机２００２年第３５卷第１期（总第１２４期）　一“ｑ　Ｊ　Ｌ［　Ｌ　ｄ　Ｒ　皿］＋户，Ｊｑ儿　ｑ　＿［Ｌ　］（　ｆ　Ｊ　１）　式中　尺——定子电阻　，ｐ——微分算子　永磁钢磁链　转子角速度　１　Ｊ　Ｌｑ，＂ｄ．“　ｉ￡　——ｄ、ｇ轴电感、电压、　电流　方程（１）在静止ａ一口坐标系中可表达为　［　式中，　为转子位置角。　．埘十号　ｒ－－ｓｉｎ２０　ｃｏｓ２０］　ｃｏｓ２０　ｓｉｎ２０　Ｊ　ｃ　［　帕＿＿　］　㈤　…　一ｉ￣ｃｏｓ　一ｚ　ｓｉｎ毋＋ｚ　ｓｉｎ（∞　ｆ）ｌ　ｒ　ｚ　＝ｉＳ　ｓｉｎＯ＋ｉ￥ｃ０ｓ　一ｉ　ｈ＂ＣＯＳ（　）Ｊ　当以式（３）的形式向绕组注入电流时，刚电压　日一厂ｃ。ｓ２０　ｓｉｎｇ８］　Ｌｓｉｎ２Ｏ　－－ｃｏｓ２０Ｊ　＿ｌ“　，“日］包含了两种频率‘　，　）的分量，由于注入电　流很弱，对电机电流的影响可以忽略。式（４）给出了　方程（３）右侧的第三项即为注入电机中的交流　电信号：　频率为　率为　的电压分量表达式，其中，电压由带通频　的带通滤波器检测得到。　ｒｌ　Ｊ“　］　ｒｌ　ｓｉｎ　ｔ　１　－ｃｏｓ￣：ｆＪ＋亏　‘厶＋Ｌｑｘ　ｌ　ｊ　Ｊ＋盲　‘厶一厶ｘ　一ｓｉｎ（２０一　；ｆ）Ｊ　“）　被转化为［“　，城］形式：　ｓ２ａ￣一．一ｃ０ｓ　ｔ］　１　一ＣＯＳ（２０　ｆ）］　绕组电压［“　，“　］根据注入电流的相位角　ｔ　［ｌ　ｓｉｎａ￣　。。　且　Ｊ一尺　ｌ［竺　一　。。２　Ｊ＋＋专　＋Ｌ　一　ｑ　ｃｏ７　ｔ］一吉ｗＣ（Ｌ￣－Ｌ，）ｉｄ　ｃｓｏｉｎｓｇ２０８］　专　Ｊ　…～…（５）　式（５）的等式右边包括频率为２ｅｏｈ　电压分量以　及直流电压。可见，其中直流电压为：　测器和一个１６Ｋ的快闪存储器　图２给出了控制系统的硬件原理图。驱动电路　ｒ“　］Ｊ　１＝专　厶　　Ｆ－ｃｓｏｉｎｓ２０］　Ｊ　２　得到直流电压分量后，位置角可计算如下：　＝吉ｔａｎ－ｔ　＋等　（７）　Ｌｄ＜厶时，　一１，３；Ｌｄ＞Ｌ时，　一０．２　位置角的估计精度与加载电流的幅值和频率有　着直接的关系，幅值和频率越高，精度也会提高。显　然，过大的幅值又会影响电动机的转距脉动　３硬件结构　Ｃ２４ｘＤＳＰ采用ＴＩ的Ｔ３２０Ｃ２ｘＩ　Ｐ１　６位定点　ＤＳＰ核心，并集成了一个电机控制事件管理器，后　者可以较好的方式实现对电机转向的电子控制。该　器件利用ＴＩ的可重用ＤＳＰ核心技术，在单一芯片　上集成一个ＤＳＰ核及数模信号外设，可面向多种应　用。Ｃ２４ｘ作为数字电机控制器的专用ＤＳＰ，可支持　电机的转向、指令的产生、控制算法的处理、数据通　讯和系统监控等功能。　Ｃ２４ｘ包括一个２０ＭＩＰＳ　ＤＳＰ核、一个事件管理　器、两个串行接口、一对ｌＯ位Ａ／Ｄ转换器、一个３２　位数字Ｉ／０系统、一个监视计时器、一个低电压监　０一　删２糸筑墁件原理图　采用了ＩＲ公司的２１３０系列的芯片，从而使得桥式　功率电路的设计简化。由于Ｃ２，１ｘ能同时完成２路　的ＡＤ转换，所以，对三相绕组端电压以及限流电阻　压降的采样，可以在２个ＰｗＭ波形信号内完成，耗　时小于１５ｇｓ。　由于载人了交流信号，在绕组端电压检出后需　要进行带通滤波（ＢＰＦ），以获取与转子位置角直接　相关联的电压信号　为了减少定点ＤＳＰ的运算负　维普资讯 http://www.cqvip.com

基于ＤＳＰ的无刷直流电动机的控制设计　欧阳文谭菲蛙　金如麟．等　担，将其Ｉ／０的ＣＭＰｘ输出用交流信号进行调制，　得到含有带通频率的调制信号。　本系统设置了多种保护措施，驱动芯片身为功　率器件提供了过电压保护，在主功率回路中串人检　测电阻，当电流过大超过设定值时，检测信号经逻辑　判断后将ＰＤＰＩＮＴ脚置为低电平，使得ＤＳＰ内部　计数器立即停止计数，所有ＰＷＭ输出呈高阻态，并　关断驱动电路，实现过流保护功能　。　４软件设计　４．１定点运算的考虑　尽管Ｃ２４ｘ的Ｃ编译器提供了比较丰富的库函　数，如三角函数、对数、指数等常用非线性函数，但由　于直接调用它们的运算量较大，难以在ＤＳＰ的实时　控制中得到运用。一般都采取适当降低运算精度来　提高程序的运行速度。　查表法是快速实现非线性运算的最常用的方　法。根据自变量的范围和精度要求制作表格，由输入　值确定表项的地址，找到相应的值，因而运算量较　小，适合于需要频繁调用非线性函数求值的实时应　用。在本系统设计中，需要构造ｓｉｎ和ｔａｎ函数的表　格。此外，考虑到位置角的求取过程的特殊性，要求　运算具有一定的精度，故而采用线性插值的办法提　高查表的精度　’　４　２控制程序　图３给出了程序流程简图，分模块简要介绍了　程序各部分的主要功能。　圈３程序流程简圈　（１）初始化程序　初始化程序主要包括：中断向量定义，时钟频率设　定，ｌ／ｏ初始化，Ａ／Ｂ转换初始化，ＰＷＭ初始化，控　制寄存器设置，以及软件变量定义及赋初值。　（２）主程序　主程序将读人的三相电压信号进行坐标变换，　得到ｎ、　坐标系下的变换值，进而由上面推导的式　（７）求出估计的转子位置角．经过补偿修正后，判断　极性和换相条件，调用换相子程序，调用速度控制子　程序。　（３）子程序　换相子程序主要根据当前转子位置角完成功率　器件的控制信号选择，并输出相应的ＰＷＭ信号，记　录相邻换相的时间。　速度控制根据设定的速度指令值，与换相完成　时间比较，差值放大后调整作为ＰＷＭ波的输出比　较值，以实现速度控制　（４）中断服务程序　在ＰＷＭ的每一个脉冲周期内都会产生１个中　断，以此中断可以开启Ａ／Ｄ转换过程　根据采样频　率，可以选择合适的中断进行电压采样值的更新。　在每次Ａ／Ｄ转换完成以后，都会向ＤＳＰ发出１　次中断，在该中断服务程序中，可完成程序变量的计　算与更新。　５结　语　介绍了电流载波以检测转子位置的方法，给出　了相应的基于ＤＳＰ的硬件和软件系统设计，初步的　实践证明，这种方法是可行有效的。　参考文献：　［１　Ａ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｓａｌｉｅｎｔ—　Ｐｏｌｅ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ａｕｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ＡｎｇｌｅｓｌＪ］Ｎｏｂｕｙｕｋｉ　Ｋａｓａ．ＩＥＥＥ　ＴＦａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２０００，４７（２），３８９－－３９５．　［２］张兰芳ＴＭＳａ２０Ｃ２ＸＸ用户指南［Ｍ］．电子工业出版　社，１９９７．　［３］谭弗娃，金如麟．大功率电子学和电机控制　Ｍｊ上海　变通大学出版杜，Ｉ９９９．　［４］　张雄伟，曹铁勇ＤＳＰ芯片的原理与开发应用［Ｍ］．电　子工业出版社，２ＯＯＯ．　作者筒彳ｒ：欧阳文（１９７７＿一），男．硕士．主要研究特种电　机的运行分析及其控制。　３１—