0 引言［1］
傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會增加電機(jī)的體積和成本；其次，
連線眾多的位置傳感器會降低電機(jī)運行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性 ，常規(guī)的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機(jī)的運行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。
為了降低硬件的成本和復(fù)雜性、增加機(jī)械魯棒性和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和減少維護(hù)的需要，又不增加系統(tǒng)慣量并能減小噪音的要求，最理想的就是取消矢量控制系統(tǒng)中的位置傳感器。
所謂無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制技術(shù) ，正確的理解應(yīng)該是無機(jī)械的位置傳感器控制技術(shù)。在電機(jī)運轉(zhuǎn)的過程中，作為控制逆變器換相導(dǎo)通時序的轉(zhuǎn)子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由機(jī)械式的位置傳感器來提供，而由新的位置檢測信號電路來代替、即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)的復(fù)雜性。所以，直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)的核心和關(guān)鍵就是構(gòu)建一個轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得正觸發(fā)相應(yīng)的逆變器，從而驅(qū)動電 確的轉(zhuǎn)子位置信號，機(jī)運轉(zhuǎn)。要做到精確控制需要相當(dāng)復(fù)雜且快速的運算，一般的微處理是器難以實現(xiàn)的，但是，數(shù)字信號處理器以其強(qiáng)大的運算功能使這種控制方式成為現(xiàn)實。
1 基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置檢測方案［2］
直流無刷電機(jī)的反電勢幅值是與位置相關(guān)的。這樣，如果它可以精確地檢測到，就可以得到實時的精確轉(zhuǎn)子位置，從而用來控制逆變器的開關(guān)方式。這種方法的缺點是：電機(jī)靜止或低速時的反電勢信號為零或很小，難以得到有效的換向信號，因此系統(tǒng)的低速性能差，電機(jī)啟動需要特別的硬件電路或?qū)ｉT的軟件啟動方法。
當(dāng)電機(jī)速度大于零時，每個電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1 所示通過過零點時反電勢的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補償。
圖1反電勢過零點
在任一時刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2 所示為W 相用于反電勢檢測時的情況。當(dāng)U 相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V 相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時，對應(yīng)圖1 中區(qū)間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設(shè)通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC 電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關(guān)。但是，只有在每相的R、L 和反電勢
都相同，且每相的開關(guān)管壓降都相等的情況下，星型連接中心點的電壓值才為1/2V DCC。假設(shè)現(xiàn)在的情況就是這樣，反電勢過零點將被偏置1/2V DC。
上述方法很容易通過硬件實現(xiàn)，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC 分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC 的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經(jīng)過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。將這個值除以2，然后加載到另一個定時器中，這樣就可以補償正確換向所需的30°偏移量。
2 DSP 控制方案的系統(tǒng)實現(xiàn)［3］ ［4］
2.1 TMS320LF240x 芯片簡介
TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數(shù)字電動機(jī)控制（DMC）應(yīng)用而設(shè)計的。該芯片具有高性能的16 位定點DSP 內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS 的處理能力，大多數(shù)指令在單周期內(nèi)即可執(zhí)行完成。同時，該芯片集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC ）、串行通信接口（SCI）和串行外部設(shè)備接口（SPI）、系統(tǒng)保護(hù)（如低電壓檢測和看門狗定時器）等。TMS320LF240x 可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，完成復(fù)雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，能滿足無傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)對實時控制的要求。
2.2 DSP 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
圖3 是根據(jù)前述控制原理設(shè)計的基于DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無刷電機(jī)、功率變換器電路、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路、各種保護(hù)電路以及以TMS320LF240x 為核心的數(shù)字控制器等構(gòu)成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM 功率模塊）和相應(yīng)的保護(hù)電路組成。
圖3 DSP 控制系統(tǒng)
逆變器電路中的IPM 模塊集成了多種保護(hù)功能，如過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過流保護(hù)等，當(dāng)達(dá)到保護(hù)閾值時，IPM 模塊通過FO 引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發(fā)功率驅(qū)動保護(hù)中斷，將所有PWM 輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，以此來關(guān)斷驅(qū)動信號，起到保護(hù)電路的作用。
轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用1/2 電壓采樣法來實現(xiàn)，對電機(jī)的三相端電壓及直流母線電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過零點的時刻，其結(jié)果送入DSP 的捕捉端口中。
0 引言［1］
傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會增加電機(jī)的體積和成本；其次，
連線眾多的位置傳感器會降低電機(jī)運行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū)；再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性 ，常規(guī)的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機(jī)的運行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。
為了降低硬件的成本和復(fù)雜性、增加機(jī)械魯棒性和驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性和減少維護(hù)的需要，又不增加系統(tǒng)慣量并能減小噪音的要求，最理想的就是取消矢量控制系統(tǒng)中的位置傳感器。
所謂無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制技術(shù) ，正確的理解應(yīng)該是無機(jī)械的位置傳感器控制技術(shù)。在電機(jī)運轉(zhuǎn)的過程中，作為控制逆變器換相導(dǎo)通時序的轉(zhuǎn)子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由機(jī)械式的位置傳感器來提供，而由新的位置檢測信號電路來代替、即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)的復(fù)雜性。所以，直流無刷電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)的核心和關(guān)鍵就是構(gòu)建一個轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得正觸發(fā)相應(yīng)的逆變器，從而驅(qū)動電 確的轉(zhuǎn)子位置信號，機(jī)運轉(zhuǎn)。要做到精確控制需要相當(dāng)復(fù)雜且快速的運算，一般的微處理是器難以實現(xiàn)的，但是，數(shù)字信號處理器以其強(qiáng)大的運算功能使這種控制方式成為現(xiàn)實。
1 基于反電勢的轉(zhuǎn)子位置檢測方案［2］
直流無刷電機(jī)的反電勢幅值是與位置相關(guān)的。這樣，如果它可以精確地檢測到，就可以得到實時的精確轉(zhuǎn)子位置，從而用來控制逆變器的開關(guān)方式。這種方法的缺點是：電機(jī)靜止或低速時的反電勢信號為零或很小，難以得到有效的換向信號，因此系統(tǒng)的低速性能差，電機(jī)啟動需要特別的硬件電路或?qū)ｉT的軟件啟動方法。
當(dāng)電機(jī)速度大于零時，每個電周期內(nèi)某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1 所示通過過零點時反電勢的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對應(yīng)電周期內(nèi)的60°區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進(jìn)行補償。
圖1反電勢過零點
在任一時刻只有兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2 所示為W 相用于反電勢檢測時的情況。當(dāng)U 相內(nèi)流經(jīng)正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V 相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時，對應(yīng)圖1 中區(qū)間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設(shè)通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC 電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關(guān)。但是，只有在每相的R、L 和反電勢
都相同，且每相的開關(guān)管壓降都相等的情況下，星型連接中心點的電壓值才為1/2V DCC。假設(shè)現(xiàn)在的情況就是這樣，反電勢過零點將被偏置1/2V DC。
上述方法很容易通過硬件實現(xiàn)，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC 分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC 的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經(jīng)過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。將這個值除以2，然后加載到另一個定時器中，這樣就可以補償正確換向所需的30°偏移量。
2 DSP 控制方案的系統(tǒng)實現(xiàn)［3］ ［4］
2.1 TMS320LF240x 芯片簡介
TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數(shù)字電動機(jī)控制（DMC）應(yīng)用而設(shè)計的。該芯片具有高性能的16 位定點DSP 內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS 的處理能力，大多數(shù)指令在單周期內(nèi)即可執(zhí)行完成。同時，該芯片集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，包括事件管理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC ）、串行通信接口（SCI）和串行外部設(shè)備接口（SPI）、系統(tǒng)保護(hù)（如低電壓檢測和看門狗定時器）等。TMS320LF240x 可以實現(xiàn)用軟件取代模擬器件，完成復(fù)雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，能滿足無傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)對實時控制的要求。
2.2 DSP 控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
圖3 是根據(jù)前述控制原理設(shè)計的基于DSP 的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無刷電機(jī)、功率變換器電路、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路、各種保護(hù)電路以及以TMS320LF240x 為核心的數(shù)字控制器等構(gòu)成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM 功率模塊）和相應(yīng)的保護(hù)電路組成。
圖3 DSP 控制系統(tǒng)
逆變器電路中的IPM 模塊集成了多種保護(hù)功能，如過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過流保護(hù)等，當(dāng)達(dá)到保護(hù)閾值時，IPM 模塊通過FO 引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發(fā)功率驅(qū)動保護(hù)中斷，將所有PWM 輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，以此來關(guān)斷驅(qū)動信號，起到保護(hù)電路的作用。
轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用1/2 電壓采樣法來實現(xiàn)，對電機(jī)的三相端電壓及直流母線電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過零點的時刻，其結(jié)果送入DSP 的捕捉端口中。
2.3 DSP 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。由于采用了面向電機(jī)控制的高速DSP，無論是速度環(huán)的設(shè)計，還是電流環(huán)的實現(xiàn)，以及各種反饋信號的處理和PWM 控制信號的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，用軟件實現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無刷電機(jī)的實時控制。
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括DSP 初始化程序和電機(jī)控制程序兩部分。DSP 初始化程序主要完成系統(tǒng)時鐘的設(shè)定，中斷向量的定義，I/O 端口的初始化，控制寄存器的設(shè)置以及各功能模塊的初始化等；電機(jī)控制程序主要負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理等，因此電機(jī)控制程序包括啟動子程序、電流和位置檢測中斷服務(wù)子程序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM 調(diào)制子程序以及系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理子程序等。
進(jìn)行各種反饋信號的檢測是構(gòu)成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號、電流信號的檢測分別由位置檢測中斷服務(wù)程序和電流檢測中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測通過軟件計算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，本系統(tǒng)電流環(huán)采用PID 調(diào)節(jié)器， 速度環(huán)采用遇限削弱積分分離PI 控制算法。其控制環(huán)路簡圖如圖4 所示。
圖4 電流和速度控制環(huán)路
PWM 調(diào)制子程序根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號和電流信號通過事件管理器（EV）產(chǎn)生PWM 調(diào)制信號。通過定時器控制寄存器TxCON 中的位模式將通用定時器的計數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/ 減計數(shù)模式以產(chǎn)生對稱的PWM 波形。另外，TMS320LF240x 的事件管理器具有可編程的死區(qū)單元，通過死區(qū)定時器控制寄存器（DBTCONx ）設(shè)置死區(qū)時間，從而避免逆變器同一橋臂上的兩個功率器件發(fā)生直通故障。
2.4 電機(jī)的啟動方案
由于直流無刷電機(jī)在靜止及低速運行時難以正確檢測反電勢信號，因此必須解決電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下啟動的問題。以往曾有多種啟動方法，但有的要增加復(fù)雜的啟動電路，有的則要與電機(jī)特性聯(lián)系密切， ，實現(xiàn)起來難度較大、且可靠性較低。
本系統(tǒng)采用三段式的方法單純利用軟件來實現(xiàn)電機(jī)啟動，將電機(jī)的啟動過程分為預(yù)定位、強(qiáng)制運行與同步切換三個階段。在電機(jī)靜止時，轉(zhuǎn)子的初始位置未知，需要給設(shè)定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉(zhuǎn)子磁極穩(wěn)定在這兩相繞組合成磁場的軸線上，以此作為轉(zhuǎn)子磁極初始位置（即預(yù)定位）。然后按定、轉(zhuǎn)子磁極間正確的空間相位關(guān)系使相應(yīng)的功率器件導(dǎo)通，并以固定的時間進(jìn)行模式切換，在這段時間內(nèi)反電勢幅值較小，不宜進(jìn)行過零檢測。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，反電勢也逐漸增大，當(dāng)反電勢升高到一定程度時，通過端電壓檢測就可以正確檢測到轉(zhuǎn)子位置，此時開啟過零檢測模塊，當(dāng)連續(xù)多次正確檢測到過零點之后，就可從開環(huán)強(qiáng)制運行階段切換到閉環(huán)同步運行階段，從而完成整個啟動過程。
3實驗結(jié)果
將前述控制方案應(yīng)用在直流變頻空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)上進(jìn)行實驗驗證，電機(jī)極對數(shù)為2，PWM 載波頻率設(shè)為5 kHz，最大輸出功率為2 kW，調(diào)速范圍為15～ ～110 Hz 。實驗證明，該系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，調(diào)速控制系統(tǒng)實時性好，具有良好的控制性能。圖5 是無刷直流電機(jī)三相電壓的波形，圖6 是無刷直流電機(jī)三相電流的波形，從波形圖中可以看出，輸出波形具有較高的質(zhì)量，從而表明該系統(tǒng)采用的控制策略和算法的可行性和和實用性。
圖5 三相電壓波形
圖6 三相電流波形
4結(jié)語
直流無刷電機(jī)具有效率高、功率密度大、功率因數(shù)高、體積小、控制精度高等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍非常廣泛。直流無刷電機(jī)的控制技術(shù)正在從傳統(tǒng)的有位置傳感器的閉環(huán)PID 控制過渡到無位置傳感器的智能控制，其調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩脈動、系統(tǒng)魯棒性等性能都在不斷提高。
在充分利用了TMS320LF240x 的強(qiáng)大實時計算能力和片內(nèi)豐富的集成器件的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于DSP 的無位置傳感器直流無刷電機(jī)的控制方案，并給出了控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調(diào)速性能，可以獲得較好的動態(tài)特性和較高的穩(wěn)態(tài)精度，運行效率高，抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的實際應(yīng)用價值。
作者簡介：
梁博（1978-）， 男，工程師，清華大學(xué)精密儀器系2000 屆畢業(yè)生，現(xiàn)工作于珠海格力電器研究院，主要研究方向為電力電子技術(shù)。
參考文獻(xiàn)：
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?。?］ TM S320LF240xA DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals ［Z］。 Texas Instruments Inc Literature Number： SPRU357B， 2001。
［4］ Implementation of a Sensorless Speed Controlled Brushless DC DriveUsing TMS320LF240［Z］.TexasInstrumentsInc Literature Number： SPRA072， 1997.