北京永光高特微電機有限公司
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基于DSP的無刷直流電動機控制方法研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4248

   摘要:提出一種基于DSP的全數字無刷直流電動機驅動控制器研制方案。系統采用外環速度環、內環電流環雙閉環控制系統,速度調節器和電流調節器采用PI控制。對于無刷直流電動機固有的低速時換相轉矩脈動問題,從工程應用角度出發,考慮到電流調節帶來的誤差,換相方法上摒棄了利用霍爾元件邊沿觸發檢測方案,采用了定時掃描轉子位置的方法.提高了電機的動態響應速度和低速時動態性能,同時解決了無刷直流電動機起動問題。速度檢測采取M/T法,拓寬了調速范圍。理論和實驗證明所提出的控制方法可靠,實用性強。

0引  言

   無刷直流電動機效率高,使用壽命長,在很多場合得到了廣泛應用。但是其固有的電磁轉矩脈動問題影響了其在高精度高穩定性場合的應用。解決其轉矩脈動問題一直是工程技術工作者研究的熱點和難點。文獻分析了電機的換相過程,指出了換相轉矩脈動與電動機及驅動系統參數之間的關系。文獻[4—5]采用電流滯環控制方式和直流側控制的PWM斬波法控制開通相的電流上升速率來抑制低速下的換相轉矩脈動。文獻[6]采用PWM控制的重疊換相法消除換相轉矩脈動。文獻[7]提出電流預測算法保持非換相相繞組的相電流在換相期間恒定來減小換相轉矩脈動。雖然從理論上提出了很多種抑制轉矩脈動的方法,但是這些方法沒有考慮在工程應用中電流調節帶來的誤差。

   本文提出的換相方法摒棄了利用霍爾元件邊沿觸發檢測方案采用了定時掃描轉子位置的方法,提高了電機的動態響應速度和低速時動態性能,同時解決了無刷直流電動機起動問題。速度檢測采取M/T法,拓寬了調速范圍。

1系統硬件組成

 圖1  無刷直流電動機控制系統硬件

   本系統硬件組成如圖l所示,選用DSP作為主控芯片,TI公司的TMS320L,F2407A具有40 MIPS的組成運算速度,32 k FLASH,16通道模擬輸入高速10位A/D,多個功能豐富的通用計時器,多路可編程脈寬調制(PWM)輸出,可編程脈寬調制輸出死區,多路信號輸入捕捉接口(CAP),光電編碼盤接口(QEP),以及異步串行接口(SCI),串行(同步)外設接口(SPl)和cAN總線接口。

   選用三菱公司智能功率模塊IPM和外圍的泵升供電電路構成直交轉換電路逆變器,通過六個開關管的導通和關斷將直流轉換成交流輸出,連接到電機的三相上,用來控制電機。IPM帶有過壓、欠壓、過流保護信號與控制器的PDPINT中斷接口連接,用于直接通過中斷關斷DSP所有六路脈寬調制PWM波輸出。

   通過光電編碼器碼盤檢測無刷直流電動機的速度,反饋脈沖接人DSP的QEP。電路,利用霍爾元件檢測轉子的位置,用來完成電機換向,信號接入DSP的邊沿捕捉CAP電路。電路如此設計,但是本系統沒有采用邊沿捕捉功能完成電機換向,而是把CAP口當作I/0口來應用。

   通過電流霍爾傳感器LEM在逆變器直流側檢測總電流,電流反饋接人DSP的A/D轉換電路,轉化成數字量參與電流環運算。另外還利用DSP的串行通訊接口和上位機通訊,完成參數設置下載以及數據示波顯示功能。

2系統結構原理及控制方法

   本系統電機控制采用速度、電流雙閉環PI控制。本系統的控制對象為無刷直流電動機,其反電動勢波形為梯形,系統采用通常的兩相導通三相星型六狀態的120°導通方式,即電機的三相繞組每次同時有兩相導通,另外一相關斷,電機為星型連接,轉子位置對應六種狀態。系統框圖如圖2所示。

   圖2無刷直流電動機控制系統原理框圖

   無刷直流電動機控制系統采用增量式光電編碼器作為速度檢測器件,接入DSP的光電編碼盤接口(QEP電路)?;诠怆娋幋a器基礎上的數字測速法有M法、T法和M/T法。其中M/T法兼有M法和T法的優點,在高速和低速段都可獲得較高的分辨率。M/T法測速的原理圖如圖3所示。

 圖3 M/T法測速原理

   如果光電編碼器每轉產生N個脈沖,在測速時間Tc=Td+△T的時間內,測速脈沖計數為m1,時間基準脈沖為m2,則電動機的轉速可以表示為: 式中:?c為時間基準脈沖頻率。

   得到的速度值作為反饋信號與速度給定值比較,得到的偏差作為電流環的給定輸入。本系統速度環的采樣頻率定為1 kHz。

   電流反饋信號從逆變器的直流側取出,主要控制電流幅值。由于直流側電流反饋控制是根據流過直流電源的總電流信號進行的,因此只需要一個電流傳感器便可得到電流反饋信號。通過A/D轉換為數字量,與給定輸入比較作為電流偏差。通過電流控制器控制PWM占空比,在低速和高速階段自動選擇不同的占空比,使得上升電流和下降電流的速率始終保持一致,以保證電流換相時,非換相電流無脈動。此種方法簡單易行,適用于較寬的轉速范圍。本系統電流的采樣頻率定為4 kHz。

速度和電流調節都采用離散PI算法,即:  (2)

式中: 次輸出;

      次誤差;

     kp、ki——比例、積分系數;

     Ts——計算步長即采樣時間。

3 控制方法的改進

   無刷電動機轉子位置信號是通過三個霍爾元件得到的。每一個霍爾元件都會產生180°脈寬的輸出信號,三個霍爾傳感器的輸出信號互差120°相位差,這樣它們在每360°電角度中共有六個上升或下降沿,如圖4所示。通常的方法是對應六個換相時刻,將三個霍爾元件接人DSP的三路信號輸入捕捉接口(CAP),同時DSP設置雙沿觸發捕捉中斷功能,就可以獲得這六個換相時刻,在捕捉中斷處理子程序中,根據表1所示的換相信息實現正確換相,電機就可以正常運轉。

表1換相控制字與各開關管狀態的關系

  表1中換相控制字按照CAP3/CAP2/CAPl的順序所得,顯示三個引腳的高低電平,1為高,0為低,對應轉子位置的六個區間。六個開關管分為兩種狀態,標志0為輸出PWM,標志X為關斷??梢钥闯鐾瑯拥膿Q相控制字下,電機逆時針旋轉和順時針旋轉對應的開關管工作狀態不同,也就是同時導通的兩相繞組不同。

通常的方法中,開關管的運行狀態的改變需要在如圖4所示的霍爾元件上升沿或下降沿到來時觸發捕捉中斷的中斷子程序中進行。

    圖4霍爾元件信號分析圖

但是,在電機制動、有超調量或者突加負載時需要及時改變電機的轉矩方向。假設在圖4中箭頭所指的M點需要改變電機的轉矩方向,那么只能在HB上升沿或者HC下降沿到來換相控制字改變時才能實現。這樣就無法及時響應轉子轉矩給定的變化,造成系統動態響應滯后。不能及時響應指令系統的命令會給系統造成損壞,嚴重的還會危及人身安全。電機高速時由于轉速較快,霍爾元件邊沿到來時頻率較高,影響不很明顯,低速時這種現象就很嚴重了,這是產生低速時轉矩脈動的一個原因。

針對這個問題,本系統采取定時掃描轉子位置的方法,也就是把三個CAP口配置為I/O口,在定時中斷子程序中檢測I/0 口的狀態,得到霍爾元件的換相控制字,調用相應換相子程序,換相子程序根據順時針旋轉和逆時針旋轉時對應開關管的不同運行狀態,及時響應給定轉矩的變化,提高了電機的動態響應速度和低速時動態性能。

同時,通常方法中電機起動過程需要通過三個霍爾傳感器的輸出來判斷先給哪兩相通電,并且給出一個不變的供電電流,直到第一次速度調節。這樣造成起動時電流大小不可控,影響起動時快速性或造成超調量過大,造成電機無法自起動。應用本系統的方法實時檢測轉子位置,通過速度環電流環控制供電電流大小,起動電流可控,解決了無刷直流電動機無法自起動問題。

4實驗結果及結論

選用電機參數如下:電阻R=0.262 7 Ω,永磁體磁鏈ψf=0.2 Wb,轉動慣量J=0.001 kg·㎡,磁極對數p=5,圖5為線電壓波形,可以看出與理論結論相符,圖6的上部分為相電流,下部分為霍爾元件信號,可以看出本文采用的方法也滿足在霍爾元件信號邊沿處電機相電流換相,滿足電機兩相導通三相星型六狀態的120°導通方式。    

                

圖5線電壓波形                    圖6相電流和霍爾元件信號

本文介紹了無刷直流電動機驅動控制器的設計方法,并針對研制中遇到的問題進行了分析和比較,主要解決了無刷直流電動機的換相和起動問題,速度檢測采取M/T法,拓寬了調速范圍。本系統應用到工業現場,魯棒性強,滿足要求。

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