无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计.docx
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无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计
煤矿机械CoalMineMachineryVol.32No.10Oct.2011
第32卷第10期2011年10月
数字信号处理器(DSP以其高速的数据处理能力、丰富的内部资源以及功耗低等特点,已在控制领域中得到广泛应用。
本文以TMS320F28027作为核心的无刷直流电机控制系统为研究对象,采用PWM控制技术,利用智能功率模块IPM,设计一种电机控制系统,并对其进行了系统的分析。
1无位置传感器无刷直流电机控制系统原理由于无刷直流电动机三相定子的导通顺序(即换相由转子位置决定,其基本工作原理就是借助反映转子位置的位置信号,通过驱动电路,驱动逆变器的功率开关元件,使得电枢绕组以一定的顺序馈电,从而在气隙中产生步进式旋转磁场,拖动永磁转子旋转。
随着转子的转动,转子位置信号依一定规律变化,从而改变电枢绕组的通电状态,实现无刷直流电动机的机电能量转换。
由此可见,电机的转子位置的检测对电机的控制起着至关重要的作用。
在本文中无刷直流电动机的转子位置的准确获取是通过软件对续流二级管导通时不导通相反电势的检测来实现的,同时通过对反电动势过零点次数的捕获可用来提供电动机的转速,为速度环的设计提供转速反馈信息。
本文所设计的无传感器无刷直流电动机控制系统的控制框图如图1所示。
图无传感器控制系统的总体控制框图2无刷直流电机无位置传感器控制方法
本文采用的PWM调制方式是高压侧功率管调制方式,低压侧只是在电机换相时导通或关断,不导通相的反电动势可以在PWM高电平和相电流续流阶段中被检测出来。
逆变器采用120导通方式时,在任意时刻无刷直流电机的三相定子绕组总有一相是关断的。
然而,被关断的那相绕组的电流并不会再换相后马上降为零,而是通过续流二级管续流,一直到该相反电动势过零点的附近降为零。
假设某一个换相阶段,电机处于A和B相导通,C相为不导通相状态,相电流经由功率管中集成的续流二级管在A相和B相绕组中续流。
在这个阶段中,C相端电压同样可以检测出反电动势的过零点,具体如下:
对于A相绕组
Vn=O-ri-Ldi-ea(1对于B相绕组
Vn=ri+Ldi
dt
-eb(2将式(1和式(2相加
Vn=-ea+eb(3根据无刷直流电机三相绕组对称的关系ea+eb+ec=0(4根据式(3和式(4
Vn=e
2
(5因此,在无刷直流电机相电流处于续流状态时
无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计徐锐
(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001
摘要:
以基于DSP(TMS320F28027的无位置传感器无刷直流电机控制系统为研究对象,采用高压侧功率管PWM调制方式,并利用智能功率模块,设计一种电机控制系统。
对该控制系统的硬件组成和软件的设计方案进行了论述,并对控制系统进行了分析。
此系统可以简化硬件结构,便于在数字控制系统的基础上进行方法实现,并使电机得到高效稳定的控制。
关键词:
DSP;无位置传感器;无刷直流电机;控制系统
中图分类号:
TM33文献标志码:
A文章编号:
1003-0794(201110-0169-03DesignofSensorlessBrushlessDCMotorControlSystem
XURui
(AnhuiUniversityofTechnology,InstituteofElectricalandInformation
Engineering,Huainan232001,ChinaAbstract:
ResearchofcontrolsystemforBLDCmotorwithoutpositionsensorbasedonDSP(TMS320F28027,thissystemadoptshighvoltagesidepowertubePWMway,andusesintelligentpowermodule(IPM.ThehardwarecomponentandsoftwaredesignsolutionsforthissystembasedonDSParedescribed.Thissystemcanbeconvenientindigitalcontrolsystembasedonmethodofrealization,simplifiedhardwarestructure,andmakemotorgeteffectivecontrol.
Keywords:
digitalsignalprocessing;positionsensorless;brushlessDCmotor;controlsystem
RST整流
电路
过压
欠压
保护
电路
IPM
功率逆变器
驱动、隔离
电路
无刷电机
电
流
检
测
XINT1
位置检测PWM1~6
DSP
起停键速度给定
Vc=3e
2
(6从以上式中可知,当相电流在功率管的集成二极管中续流时,不导通相的端电压和反电动势成正比,而此时由于不存在功率管的开关状态,因此不会有大量的开关噪声。
将此时的端电压和固定的参考电压进行比较,可以精确地得到不导通相反电动势的过零点,在过零点时刻延时30°电角度,即为电机换相点。
与常用的无位置传感器控制方法相比,此方法具有较高的灵敏度,拓宽了转速的适用范围,也加快了电机开环起动的过程
3无位置传感器无刷直流电机控制系统硬件组成TMS320F28027具有丰富的片内资源,如A/D转换、增强型脉宽调制器、EVA等功能模块,且具有高效32位CPU,能快速中断响应和处理。
因此,本系统的控制电路较为简单,主要包括端电压过零检测电路、电流反馈检测电路、欠压过压保护电路、电源电路、IPM驱动控制电路等电路。
本文给出IPM驱动电路如图2,欠压保护电路如图3。
IPM(智能功率模块具有高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
IPM采用了单电源驱动电路。
图2IPM驱动电路
图3欠压保护电路
系统的母线电压为24V,如图3所示,利用电阻分压的方式对主电路直流电压进行采样,正常情况下,可以得到1.84V的采样电压,处于DSP内部AD采样模块可以转换的最大电压3.3V的1/3~2/3,AD测量精度为最高。
同时设定系统欠压的阈值为20V,当采样电压低于阈值时,即分压过后的采样值低于1.54V时,DSP将封锁PWM的信号输出来保护系统。
4无位置传感器无刷直流电机控制系统软件设计主程序中,首先进行DSP内核时钟、各功能模块预定标器、AD采样时钟、各类外设中断以及PWM、GPIO等各个重要参数的初始化,用以设置PWM占空比、不导通相选择。
另外,还包括使用无刷直流电机模型仿真得到的开环起动时间、换相标志、电机驱动PWM换相表数组以及不导通相选择数组的初始化。
DSP初始化起动程序流程图如图4所示。
图4DSP初始化起动程序流程
无位置传感器电机控制程序中断事件主要包括CPU定时中断以及CAP捕获中断,通过中断子程序的编制,可以实现开环起动加速、闭环切换以及转速计算和换相等系统功能。
进入CAP中断后,对不导通相
反电动势过零点进行响应,计算当前电机转速,并进行延时换相,程序流程如图5所示。
图5CAP中断子程序流程
5结语
本文通过研究改进的反电动势过零点检测方法,设计了一套基于TMS320F28027DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统。
通过利用TMS320F28027DSP丰富的片内资源,及其高效的运算处理能力,且反第32卷第10期
Vol.31NO.10无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计徐
锐
+15V+15V
C6
C8VCCC9
Cap
2nF2nF+
CapPoll
Cap10uF
CapPoll
R17Res2D810
Cap1uFC10C14
R19Res210D9
DiodeDiodeC21++
D11CapPoll10uF
CapPoll10uF
R23Res210
Cap
1OOpF
C17
Cap
1OOpF
C22
R9
Res2
10
CL1
BL1
FO
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
GIN
GND
VN1
8
7
11
4
3
2
1
+15V
+15V
+15VAH1
BH1
GND
CH1
U
W
V
U
W
V
23
26
C
1
N
1
R11R12
PGND
Res2
0.2
Res2
0.2
PGND
C
1
N
R6
Res2
Cap
225
WN
VN
UN
FO
CFO
CIN
VNC
VN1
N
VWFS
VWFB
VPC
VP1
WP
VWFS
VWFB
VP1
VP
VP1
UP
P
VWFS
VWFB
P
PS21869
22
*2
VN1
Diode
15V
Ud
R26
C15
120kQ
10kQ0.33uF
LM358
ADCINAO
OP3
+
使能CAP中断
转速是否大于阈值
结束是读取开环
启动时间
固定电机
相位、延时
主控制器、
初始化
开始进入中断、进行换相
检测换相标志
ComFlag
从捕获寄存器中
读取当前转速
计算30电角度
的计数值延时
确定新的换相
标志ComFlag
选择新不导通相并延时
结束使能CAP中断、计算转速根据换相表更改ACTRCAP中断
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