曾丽，吴浩烈，肖 莹(1武汉工程大学电气信息学院，武汉430073；2贵州大学电气工程学院，贵阳摘要：介绍了基于dsp的无位置传感器无刷直流电机控制系统的设计。本系统采用反电动势法估算转子位置信号，针对电动机起动时反电动势比较小，难以得到有效的转子位置信号的缺点，提出了二次定位法，并在起动过程中加入电流闭环控制算法。该文从硬件和软件两方面详细介绍了控制系统的实现方法，实验结果验证了该控制方案的可行性。
无刷直流电动机是利用电子换相技术代替电刷机械换相的新型机电一体化电机。，它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机运行效率高、调速性能好而无机械换相等诸多特点，故在当今国民经济各个领域的应用日益普及。传统的无刷直流电动机需要位置传感器向逆变桥提供换相信号，位置传感器的使用增加了电机体积和成本，降低了电机的可靠性；而且在恶劣工作环境中常规传感器无法使用。针对位置传感器的种种弊端，提出了通过对电动机电压、电流等信号的检测和处理来获得转子的位置信号，从而实现无位置传感器的控制系统。已有的方法有反电动势法、电感法、续流二极管法、状态观测器法等：本文采用性能最稳定的反电动势法估算电机转子位置，设计了基于dsp的无位置传感器无刷直流电机控制系统。
本系统考虑到可靠性及技术成本，采用反电动势过零检测法来获取转子位置信号，该方法是目前最稳定的转子位置检测法：图1为无刷直流电机工作在两两通电六状态下的反电动势与相电流波形。
从图中可以看出在某一相绕组不通电的60°电角度过程中，该相绕组的反电动势波形有一个过零点，它位于梯形斜边的中点。无刷直流电动机每转过360°电角度，每一相反电动势将过零两次。反电动势过零点检测换相的主要思想就是通过检测这个过零点的位置，在零点之后延时30°电角度控制逆变器使电动机换相到下一个状态。
再切换到反电动势闭环运行状态，已有的方法有外同步起动、预定位起动等。预定位起动是先给预先设定的两相绕组通以短暂的直流电，使得转子磁极稳定在这两相绕组合成磁势的轴线位置，以此作为转子磁极初始位置，实现预定位。如图2(a)所示，定子绕组a、b通电，(：相断开，将转子强行定位在合成磁势fa的方向上：但是，由于转子位置不确定，在定位时如果转子恰好处于图2(b)所示位置时，转子就不会旋转到图2(a)所示位置，定位失败．：为解决这一问题，本文提出二次定位法，即在第一次定位基础上进行第二次定位。
起动过程分四步：
①先将a、b通电，c相断开，持续一段时问完成第一次定位，这时转子可能在图2(a)所示位置，也町能在图2(b)所示位置。然后导通a、c两相，b相关断，再持续一段时间，实现第二次定位。
不论第一次定位是否成功，这时转子都会旋转到图2(c)所示位置。
②起动算法预先设置一个换相延时时间，即电动机转子旋转60。电角度所用的时间，这个时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变。
③按照电机旋转方向给下一个状态的两相绕组通电，如顺时针旋转的话，按b—a(电流由b流向a，c相关断)，c—a，c—b，a—b，a—c，b—c的换相顺序给绕组馈电一个换相周期。并在此时加入电流闭环控制算法，以调节pwm波占空比控制电机的输出电压。
⑧转子旋转一周后，电机具有一定转速，这时起动反电动势过零检测算法。转子旋转二周之后，由位置检测算法可得到电动机的旋转速度，从而知道转子旋转60。电角度所用的时间，用这个时间更新预先设置的换相时间，进入无位置传感器闭环运行状态：
3控制系统设计
本系统采用tms320lf2407为系统控制核心，建立了无位置传感器无刷直流电动机双闭环控制系统，图3为控制系统结构原理图。
主电路向无刷直流电动机供电，调节逆变器的输出电压就可以调节无刷直流电机的电流大小，从而调节电磁转矩：当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度达到给定速度。图巾虚线框内表示的是dsp数字处理部分，系统外环为速度环，速度环使转速跟随给定值变化，实现转速稳态无静差，对负载变化起抗扰作用，并能获得较高的调速精度。
采用积分分离的pi调节。输出限幅决定于电机允许的****电流：内环为电流环，电流环使电流跟随电流给定的变化，保证起动时电机能获得允许的****电流，能提高系统的动态性能，采用pi调节。速度调节器及电流调节器的功能都由dsp采用数字调节器来实现，这样既省去了大部分模拟器件，又提高了系统可靠性。
4系统硬件设计
由于tms320lf2407内部集成了大量用于电机控制的外同电路，能够使系统外围电路结构相对简单，控制系统硬件结构见图3。
本系统由bldcm，主电路，端电压检测电路，电流采样，过流检测，母线电压采样，隔离电路，ipm故障检测电路及tms320lf2407组成。
tms320lf2407带16路内置采样／保持的10位a／d转换器，可实时地对电机的电压及电流进行采样。
本系统没有速度检测部分，利用dsp高速的运算能力，根据转子位置信号设计了简单的算法间接计算得到电机的速度，简化了系统硬件结构，使系统更经济、可靠。。tms320lf2407芯片内有12路pwm产生电路，这里使用eva模块通过相应设置后输出6路方波信号，经过隔离驱动电路控制相应功率开关管的通断，实现对电动机的正确换相。
4。1主电路
主电路包括三相整流、滤波、逆变。三相交流电经过空气开关和快速熔断器，由二极管组成的三相桥式整流模块整流后，变成直流脉动电压。：为了减少直流脉动，在整流桥的输出端接大电容进行滤波，使电压的大小也基本保持不变。逆变电路采用典型的三相电压源型逆变电路，逆变电路的主开关器件采用智能功率模块(ipm)。
4。2转子位置检测电路
由于反电动势是难以直接测取的物理量，检测反电动势过零信号实际上是通过检测三相绕组端电压间接获得反电动势过零信号，图4为a相绕组端电压检测电路。
端电压u经分压滤波，过零检测，光电隔离后送入dsp的l／0。由于逆变器采用pwm方式，端电压波形也为pwm波，需经滤波之后可得到平滑的端电压。为保证dsp的安全，输入i／o口的电压应在3 3 v以下，检测信号需通过光电隔离再送入d1sp。
4。3保护电路
系统的保护电路包括过压、过流及ipm故障保护。本系统选用的ipm是三菱公司的pm50rsal20(50 a／l 200 v)，该ipm不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏过电压，过电流和过热等故障检测电路及保护电路，一旦ipm出现故障，能自动封锁输出，但一段时间后ipm会自动恢复。所以需要在ipm发生故障时将故障检测信号送到dsp，d卵采取相应措施，****封锁ipm驱动信号。
采用这种双重保护的设计，系统可靠性进一步提高。
电流的变化非常快，本文没计了过流检测电路，采用硬件中断的方式实现过流保护。母线电压的变化相对较慢，硬件上只需母线电压采样电路，过压保护在软件设计中完成。
5系统软件设计
整个软件程序在cc软件中采用dsp汇编语言编写。整个软件包括三部分：主程序、定时器t1下溢中断模块、ipm保护中断和过流保护中断模块。
主程序完成系统的初始化，如中断向量表、寄存器、i／0口、事件管理器、adc模块的初始化等一初始化结束后进人无限循环等待中断，主要是等待tl下溢中断处理程序，这个中断程序是本系统控制算法的核心部分。
t1断服务程序包括电动机的起动、换向时刻的判断(包括转子位置信号的检测、延时角的计算、相移的修正、滤波的实现)、电流采样和汁算、电流调节器(电流反馈的选择和pt算法)、速度调节器(速度计算及积分分离pi算法)，pwm占空比的改变，母线电压过压保护等，这一过程在一个采样周期l00
us内完成.t1中断服务程序软件流程图如图5所示。
本文简化了系统硬件结构，根据上面叙述的电机起动方法，通过软件程序实现电机的软起动。
为了滤除换向瞬间反电动势出现的干扰，本文在软件中采用延时滤波的方法来消除干扰。
本系统速度反馈无需借助任何测速电路或者速度传感器，完全由软件程序计算得到。本系统电机极对数为5，转子每转360°电角度捕获单元有6个信号跳变，每转一周捕获单元就有30个信号跳变。
当测得反电动势波形过零点后，再延迟30。电角度才是换相点，又由于端电压检测电
路中存在阻容滤波环节，导致了检测信号相位的滞后，即换相延时角不再是30。电角度，而是经过了相位补偿后的结果。
ipm保护中断和过流保护巾断使用同一个中断源。当ipm出现故障时，ipm会自动关断igbt并输出故障信号给dsp芯片，使系统进入中断；一旦系统过流也会使系统进人中断。系统进入中断会封锁ipm的驱动信号，并置ipm故障标志或过流故障标志，便于******找到问题所在。
6实验结果及结论
本系统所用无刷直流电机定子绕组采用三相y联结，工作在两两通电六状态下，转子为5对极，功率为400w，电压300v，额定电流2 a。本文根据以上的硬件电路以及软件设计，进行了大量的实验，实验证明系统简单、可靠。图6为电机起动时相电流ia/ib的波形，图7的电动机转速稳定后用端电压法检测的转子位置信号pa／pb的波形。图6中纵坐标为电流值的定点数(qlo格式)，起动时电流****值ia=1936(q10)，电流的实际值ia=1936×10=1.89
通过利用tms320lf2407丰富的片内资源和高效的运算处理能力，且速度环电流环的pi控制，电机的起动，电动机速度反馈等都由软件完成，使系统硬件结构简单，极大地提高了系统的可靠性。实验证明，该系统具有良好的调速性能，电机转子位置检测准确性好，具有实用价值。
