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王淑紅（1969－）
女，甘肅靖遠人，畢業(yè)于西安電子科技大學電子信息工程專業(yè)，副教授，碩士，從事電氣自動化和測控技術的教學和科研工作。

摘要：介紹了以TMS320F2812為核心的永磁無刷直流電機控制策略。對于反電動勢波形接近正弦的永磁無刷直流電動機，介紹了一種利用基于六個離散位置信號的自同步SVPWM控制方法,用于抑制電磁轉矩脈動。文章對其硬件電路和軟件設計進行了介紹。由于其結構簡單，低成本，高可靠性，可望在電機驅動和工業(yè)控制領域獲得廣泛的應用。

關鍵詞：永磁無刷直流電動機；控制器；TMS320F2812；SVPWM

Abstract: The design of the PMDC brushless motor control strategy based on TMS320LF2812 is introduced in this paper. The BLDCM with sinusoidal back EMF and a self-synchronous SVPWM control method based on six discrete position signals for minimizing torque ripple is also introduced here. The hardware circuit and software design is presented. Because of its simple construction, low cost, and high reliability, this system can be widely applied in the field of motor drive and control.

Key words: PMDC brushless motor；Controller；TMS320F2812；SVPWM

1 引言

    無刷直流電動機利用電子換向器取代了機械電刷和機械換向器，因此它不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，使它一經出現(xiàn)就以極快的速度發(fā)展和普及。現(xiàn)已廣泛應用于伺服控制、醫(yī)療機械、儀器儀表、機器人、家用電器等領域。其相應的控制系統(tǒng)一直采用復雜的電子線路或51系列單片機,因此或多或少存在可靠性差、成本高、抗干擾能力差等缺點。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,單片機的性能得以不斷提高,基于TMS320F2812 DSP的控制系統(tǒng),可實現(xiàn)三相繞組直流無刷電動機控制的智能化,并具有成本低、工作可靠、抗干擾能力強、通用性強等特點。

2 直流無刷電動機的控制方案

2.1 控制系統(tǒng)的硬件構成

    系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。它主要由三相繞組直流無刷電動機主電路、TMS320F2812控制系統(tǒng)、驅動電路及檢測保護電路等部分組成。

                                    圖1   控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 直流無刷電動機簡介

    三相繞組直流無刷電動機主要由電動機、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。它有3 個互為120°(機械角) 的定子繞組,經由6 只MOSFET 管組成的三相全控電路供電,永久磁鐵按一定的極對數(2 p = 2 ,4 , …) 安裝在轉軸上,其位置傳感器主要起著測定轉子磁極位置的作用,為電子開關控制電路提供正確的換相信息。電子開關線路用來控制電動機定子上各相繞組通電的時刻、順序和時間。當定子繞組的某一相通電時,該電流與轉子永久磁鋼所產生的磁場相互作用而產生轉距,驅動轉子旋轉,再由位置傳感器將轉子磁鋼位置轉換為電信號,去控制電子開關線路,電子開關管MOSFET就以兩兩通電方式要求的次序進行換相,從而使三相定子繞組按一定次序導通。當改變MOSFET 的導通順序時,就改變了電機的轉向[2]。

3 SVPWM控制方法

    無刷直流電動機的反電動勢波形一般為梯形波。在實際應用中，為了消除齒槽轉矩，常采用斜槽、分數槽、合理設計磁極形狀和充磁方向等措施，這些措施往往使得電機的反電動勢波形更接近正弦。這種情況在中小功率無刷直流電機中更為常見。對于這類電機，采用正弦波電流驅動比采用120°導通型三相六拍方波驅動，更有利于減小電磁轉矩脈動。因此尋求利用方波型無刷直流電機三個霍爾元件產生的六個離散位置信號，來實現(xiàn)正弦波電流驅動，具有重要的現(xiàn)實意義。

     
                           圖2   無刷直流電動機逆變器示意圖
    
     三相電壓型逆變橋的上橋臂和下橋臂開關狀態(tài)互補，故可以用三個上橋臂的功率器件的開關狀態(tài)來描述逆變器的工作狀態(tài)，記功率器件上橋臂開通狀態(tài)表示為“1”，下橋臂開通狀態(tài)表示為“0”，則上橋臂的開關狀態(tài)有八種組合，用 [a，b，c]表示橋臂的狀態(tài)。對應于不同組態(tài)時輸出給電機的相、線電壓對應值(相對應于三相全波整流后的直流電壓Ud)如表1所示。

                             表1   三相逆變器的導通組態(tài)

    得到相電壓的8種組態(tài)后，再通過abc-αβ坐標轉換投影到α-β坐標系下，由此可以得到6個非零向量和2個零向量，分別記為0 (000)--7(lll)，稱為基本電壓空間矢量，其中1  (001)--6 (l10)為有效矢量，幅值大小為Ud ，0 (000)、7(lll)為零矢量，幅值為零。如圖3所示。

     

                                  圖3   基本空間電壓矢量圖

    如果希望獲得多邊形或者逼近圓形的旋轉磁場，就必然要利用8個空間電壓矢量的線性組合，以獲得更多的與 0(000)--7(lll)不同的新的電壓空間矢量，形成一組等幅但不同相位的電壓空間矢量。因此電壓矢量SVPWM以三相對稱正弦波電壓供電時的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器不同的開關模式產生的實際磁通去逼近基準磁通，從而達到較高的控制性能，這就是空間矢量SVPWM的基本原理。

    要使輸出相電壓更接近正弦波，可以按照SVPWM的控制方法，把每個60°區(qū)間進行N等分，每個小區(qū)間通過相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來合成該區(qū)間的電壓空間矢量，這樣一個周期將有6N個電壓空間矢量，每隔60/N電角度切換一次。為了實現(xiàn)無刷直流電機的自控式運行，切換時刻仍必須由轉子位置信號決定，即轉子轉過60/N電角，電壓空間矢量切換一次。問題是總共只有6個確定的離散位置信號，如何確定兩個位置信號之間轉子的實際位置，是保證無刷直流電機自同步運行的關鍵。

    按照電機學理論，無刷直流電動機的電磁轉矩可表示為

       (1)

    式中，F(xiàn)s為定子勵磁磁動式；Fr為轉子勵磁磁動式；θ為Fs和Fr之間的夾角；k為比例系數。

    從上式可見，有兩個因素可引起電磁轉矩脈動，一是定子勵磁磁動勢Fs，幅值的變化，二是定子磁動勢與轉子磁動勢夾角的變化。而上面所提的SVPWM控制方法能夠保證電壓空間矢量和轉子以恒定的夾角同步旋轉，由于定子電流空間矢量以恒定的夾角與電壓空間矢量同步旋轉，而定子磁動勢又由定子電流產生，最終使定子磁動勢與轉子以恒定的夾角同步旋轉。這種控制方法能夠消除因定、轉子夾角變化而引起的電磁轉矩脈動，其最大的優(yōu)點是硬件結構，軟件算法都比較簡單。

4 三相無刷直流電動機的DSP控制策略

    利用TMS320F2812 DSP實現(xiàn)三相無刷直流電動機調速的控制和驅動電路。三個位置間隔120°分布的霍爾傳感器H1、H2、H3經整形隔離電路后分別與TMS320F2812的三個捕捉引腳CAP1、CAP2、CAP3相連，通過產生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息。電流反饋輸出經濾波放大電路連接到TMS320F2812的ADC輸入端ADCIN00,在每一個PWM周期都對電流進行一次采樣，對速度進行控制。TMS320F2812 DSP通過PWM1～PWM6引腳經一個反相驅動電路連接到六個開關管,實現(xiàn)定頻PWM和換向控制[3]。

     

                             圖4   三相無刷直流電動機調整速控制框圖

    圖4是對三相無刷直流電動機實現(xiàn)雙閉環(huán)控制的框圖。給定轉速與速度反饋量形成偏差，經速度調節(jié)后產生電流參考量，它與電流反饋量的偏差經電流調節(jié)后形成PWM占空比的控制量，實現(xiàn)電動機的速度控制。速度反饋通過霍爾位置傳感器輸出的位置量，經過計算得到的。位置傳感器輸出的位置量還用于控制換相。

    在調速控制中采用數字PID算法，對轉速反饋實行PI控制，對電流反饋采用PID控制。本系統(tǒng)中，PID采用積分分離PID算法，其特點是根據實際情況設定一個誤差閥值，當跟蹤誤差大于閥值時，采用PD控制，可避免過大的超調，使系統(tǒng)有較快的動態(tài)響應，當跟蹤誤差小于閥值時，采用PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。以上算法在DSP中通過軟件編程實現(xiàn)。

     
                                 圖5   霍爾傳感器的三相位置信號

    在轉矩控制上采用空間矢量法(SVPWM)進行控制，使供電電壓波形接近正弦波形。這種方法可以在不損失轉矩電流比的基礎上，有效的抑制電磁轉矩脈動。這種控制方法采用開關型霍爾元件進行轉子位置估計，不需要電流傳感器，控制器成本較低，具有較大的實用價值。其算法也通過軟件編程完成。

4.1 電壓空間矢量初始定位

    根據式（1），為了使產生的電磁轉矩最大，必須保持定、轉子磁動式之間的夾角為90°電角度，設定子電壓空間矢量超前定子電流空間矢量θZ電角度，而定子電流空間矢量與定子磁動式同相位，因此必須是定子電壓空間矢量超前轉子磁動式90+θZ電角度。安裝三相位置傳感器，使得轉子磁極軸線位于A相反電動勢的過零點處，A相位置傳感器輸出信號發(fā)生跳變，觸發(fā)A相繞組導通，則可以確定轉子位于某個60°區(qū)間時，電壓空間矢量的初始相位角θr，此處θr代表α-β坐標系下，電壓空間矢量與α軸(即A相軸)之間的夾角，如圖3所示。當霍爾元件傳感器輸出如圖5所示的三相位置信號時，根據以上原則確定的三相位置信號與電壓空間矢量的初始相位角。

4.2 轉子位置的估計

    在電壓空間矢量法中，電壓空間矢量的旋轉頻率受位置信號傳感器的控制，定子旋轉磁場的轉速和轉子的轉速始終相等。三相霍爾元件輸出的位置信號如圖5所示，每個周期內位置信號有6次跳變，這樣一個周期內有6個轉子位置可以被確定。當逆變器采用六拍運行方式時，以三相位置信號的跳變時刻作為電壓空間矢量的切換時刻，就可以實現(xiàn)無刷直流電動機的自同步運行。為使輸出相電壓更接近正弦波，根據SVPWM的控制方法，每個60°區(qū)間進行N等分，每個小區(qū)間通過相鄰兩基本矢量和零矢量的組合來合成該區(qū)間的電壓空間矢量，這樣每個周期有6N個電壓空間矢量，每隔60/N電角度切換一次。為知道這60/N所持續(xù)時間，假設60°區(qū)間內轉子轉速不發(fā)生變化，這樣就可以利用上一個60°區(qū)間所持續(xù)時間來近似代替當前區(qū)間的持續(xù)時間。電機實際運行時，這兩個區(qū)間的時間不一定相同，這種近似必然會產生誤差，隨著誤差的積累超過一定角度時，電壓空間矢量與轉子d軸之間的實際相位將發(fā)生錯位，造成電機的失步振蕩直至停轉。所以筆者用位置傳感器的跳變信號，每60°進行一次位置校正。經過校正，可以使電壓空間矢量與轉子位置同步旋轉，保證無刷直流電動機保持自同步運行[1]。

5 結束語

    永磁無刷直流電機既有交流電機的結構又有直流電機的特性，是一種很有應用前景的機種。實驗表明：該機種具有良好的運行特性和調速性能，具有高效節(jié)能的特性，完全可以取代直流電機進入調速領域和伺服領域，是一種集電子、電機和計算機為一體的機電一體化系統(tǒng)。利用TMS320F2812型DSP構建的無刷直流電動機控制器控制方式簡單，輸出信號穩(wěn)定，調速性能良好，可以應用于各種高精度調速系統(tǒng)和位置伺服系統(tǒng)。  

參考文獻：

[1]邱建琪.永磁無刷直流電機轉矩脈動抑制的SVPWM控制.中小型電機.2003,30( 2).27～28.
[2]李軍生,李為民.C504 在直流無刷電動機控制中的應用.電力電子技術.2002,12,34～36.
[3]王曉明.電動機的DSP控制.北京航空航天大學出版社.2004.7.
[4]TMS320F240 DSP Control Reference Guide [M].Texas Instrument,1997.