無傳感器單電流檢測的無刷直流電機(jī)控制

直流電動機(jī)以其優(yōu)秀的線形機(jī)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(diǎn)，在各種驅(qū)動、伺服系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1]，但傳統(tǒng)的直流電機(jī)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(jī)(PMBLDCM，以下直接簡稱為BLDCM)利用電子換向替代了機(jī)械換向，沒有磨損、火花，噪聲大大減小，目前有著大量的應(yīng)用，但如何實(shí)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

對于無刷直流電機(jī)，控制方法的核心是要獲得電機(jī)位置或速度的實(shí)時(shí)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(shí)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(yù)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(shí)現(xiàn);有的算法復(fù)雜，會造成較大的實(shí)時(shí)誤差[6]，也不是很實(shí)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(jià)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(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)了很好的啟動和調(diào)速功能，并對整個電路進(jìn)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(hù)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(shí)現(xiàn)電流鑒別算法和濾波算法，得到對應(yīng)的三相電流，通過速度位置估算算法計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)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(jī)之上，完成一個控制流程。這樣循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)從啟動到正常運(yùn)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(shí)現(xiàn)。

圖1 BLDC控制系統(tǒng)示意圖

3單電流采樣的實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，電機(jī)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(shí)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(shí)間段(此即七段法名稱的由來)，不同的時(shí)間段對應(yīng)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*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(yīng)著不同的電流流向，因此只要我們知道了當(dāng)前的電流流向狀態(tài)，就可以從兩次不同時(shí)間的采樣電流(分別對應(yīng)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(shí)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(jìn)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(shí)候，由于某一基本矢量作用時(shí)間太短會導(dǎo)致采樣無法完成，這個時(shí)候，可以通過限制作用時(shí)間最小值來保證采樣過程正常進(jìn)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很好的效果。

實(shí)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(dá)到了很好的電流檢測效果，完全可以滿足進(jìn)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(jī)控制方法詳述

這里將從電機(jī)的初始化啟動、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速三個方面敘述電機(jī)控制的全過程，并給出電機(jī)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(jī)的實(shí)際位置，如果從任意位置啟動，可能會造成電機(jī)反轉(zhuǎn)甚至啟動完全失敗，因此需要對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)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(diǎn)是只作用于在某一相，最后將電機(jī)鎖定于某一磁極，達(dá)到了初始化的目的。

正常運(yùn)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。