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高速無(wú)刷直流電機(jī)控制與無(wú)傳感器測(cè)速研究
高速電機(jī)具有體積小、功率密度高、可直接驅(qū)動(dòng)高速負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天航海測(cè)試平臺(tái)及導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工的高速磨削、銑床設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的高速驅(qū)動(dòng)電機(jī)如直流電機(jī)、異步電機(jī)和同步電機(jī)，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或效率較低等不足。而近幾年發(fā)展起來(lái)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）是一種用電子換相裝置代替機(jī)械換相裝置（電刷和換相器）的新型直流電動(dòng)機(jī)，通常采用永磁體轉(zhuǎn)子，因此沒(méi)有激磁損耗；其發(fā)熱的電樞繞組又通常裝在外面的定子上，熱阻較小，散熱容易，BLDCM具有效率高、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)換向火花等優(yōu)點(diǎn)，是高速電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
目前，在一些特殊領(lǐng)域（如陀螺電機(jī)中>對(duì)電機(jī)體積、連線(xiàn)的數(shù)目、可靠性等方面的要求嚴(yán)格，而外加傳感器大都對(duì)環(huán)境條件很敏感，如振動(dòng)、潮濕和溫度變化等都會(huì)降低其性能，因而難以保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。而且，傳感器大大增加了電氣連接線(xiàn)數(shù)目，給系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。因此，在這些特殊領(lǐng)域生，研究方向?yàn)閼T性?xún)x表和電機(jī)控制技術(shù)。
中，無(wú)位置傳感器BLDCM成為理想選擇。目前永磁無(wú)刷直流電機(jī)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，而B(niǎo)LDCM正沿著機(jī)電一體化的方向發(fā)展，即傳統(tǒng)的電機(jī)與電力電子電路、微處理器及其控制軟件集成為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的迅速發(fā)展，1MS320LF2407A主頻已達(dá)到40MHz，使得無(wú)位置傳感器算法更易于實(shí)現(xiàn)，可很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器控制。用DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，所以，低成本DSP無(wú)位置傳感器無(wú)刷電動(dòng)機(jī)將成為BLDCM的發(fā)展方向和趨勢(shì)。
2控制和測(cè)速系統(tǒng)示出基于DSP的高速無(wú)位置傳感器BLDCM控制和測(cè)速系統(tǒng)總體工作框圖。本系統(tǒng)中電機(jī)采用兩相銣鐵硼永磁式無(wú)位置傳感器BLDCM. 2.1兩相BLDCM工作原理示出兩相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理。
雙H橋-一相導(dǎo)通正交兩相四狀態(tài)如圖所示，電機(jī)米用雙H橋一相導(dǎo)通兩相正交四狀態(tài)工作方式。每隔1/4周期換相一次，對(duì)應(yīng)的晶VT4―VT7，V，當(dāng)VT1，VT2導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)電機(jī)的A相正相導(dǎo)通，電流通過(guò)VTp從A相正端流入，又經(jīng)過(guò)VT2，從A相負(fù)端X流出。VT3和V，VT5和VT4，VT7和VT6分別對(duì)應(yīng)B相正相導(dǎo)通，A相負(fù)相導(dǎo)通，B相負(fù)相導(dǎo)通。
2.2電機(jī)速度檢測(cè)方案的確定字、模擬混合法測(cè)速原理圖。圖中u1是穩(wěn)定運(yùn)行下電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)放大整形后得到的方波信號(hào)，該方波信號(hào)的頻率為f，通過(guò)計(jì)數(shù)控制，在方波信號(hào)的正半周期，計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖u2進(jìn)行計(jì)數(shù)，在方波下降沿停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器中的數(shù)字量m存入鎖存器，然后清零計(jì)數(shù)器，為下一個(gè)周期計(jì)數(shù)作準(zhǔn)備。只要對(duì)鎖存器中的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，并用除法電路求其倒數(shù)，即可得到與電動(dòng)勢(shì)頻率成正比的模擬電壓信號(hào)，也即測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速n.數(shù)?；旌戏y(cè)速的原理圖由電機(jī)學(xué)理論很容易得到鎖存器中m和n的關(guān)系式為：顯然，只要測(cè)得與電動(dòng)勢(shì)頻率成比例的模擬電壓信號(hào)，即可檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速。
3硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的樣機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼采用銣鐵硼永磁材料，三對(duì)極，定子繞組為兩相正交接法。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括功率驅(qū)動(dòng)電路及主電路設(shè)計(jì)；反電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)；邏輯合成和功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)；光電隔離電路設(shè)計(jì)；速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及電源設(shè)計(jì)。
3.1功率驅(qū)動(dòng)及主電路的設(shè)計(jì)示出功率驅(qū)動(dòng)及主電路圖。在本文的穩(wěn)速系統(tǒng)中，電機(jī)采用“一相導(dǎo)通兩相正交四狀態(tài)”的運(yùn)行方式，電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)360°電角度，定子共有4種磁勢(shì)狀態(tài)，互差90°電角度，功率管的導(dǎo)通順序依次為VT1，VT2―VT3，VT8―VT5，VT4―VT7，VT9，VT6.功率驅(qū)動(dòng)及主電路。2反電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路在電機(jī)端電壓信號(hào)中，不僅包含電機(jī)反電勢(shì)信號(hào)，而且含有斬波信號(hào)，斬波信號(hào)會(huì)嚴(yán)重干擾反電勢(shì)波形，使過(guò)零點(diǎn)不明確，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。因此，必須對(duì)從電機(jī)定子端直接采集的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波。濾波后的信號(hào)再進(jìn)行過(guò)零比較、光電隔離后分別進(jìn)的頻率輸入端。示出反電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路。
3.3邏輯合成電路DSP輸出的信號(hào)是只與電機(jī)的兩路反電勢(shì)信號(hào)及其過(guò)零點(diǎn)相關(guān)的方波信號(hào)。要將其變?yōu)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)邏輯合成電路。該電路由邏輯合成集成電路芯片GAL16V8D來(lái)實(shí)現(xiàn)。表1給出兩路相反電勢(shì)與功率管的導(dǎo)通關(guān)系。
表1相反電勢(shì)與功率導(dǎo)通關(guān)系器的兩個(gè)輸出端和u2系統(tǒng)軟件流程圖示出PLL電路，Ri端輸入為時(shí)鐘基準(zhǔn)，由產(chǎn)生，Vi端輸入信號(hào)為反電勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、過(guò)零檢測(cè)后得到的頻率信號(hào)，VDi和鎖相環(huán)電路Ui分別代表鑒頻鑒相3.5數(shù)?；旌戏y(cè)速實(shí)際電路在所示的數(shù)?；旌戏y(cè)速原理圖中，計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器控制均可用常規(guī)的數(shù)字集成電路構(gòu)成，其中鎖存允許信號(hào)和計(jì)數(shù)器清零信號(hào)可由單穩(wěn)觸發(fā)電路產(chǎn)生。示出數(shù)模混合除法電路。
數(shù)模混合法測(cè)速實(shí)際電路。6光電隔離需要光電隔離的地方有3處：①DSP輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路之間用6N137作為隔離芯片；②相反電勢(shì)信號(hào)經(jīng)處理后得到的是模擬量，反饋到DSP時(shí)需要采用線(xiàn)性光耦來(lái)隔離，這里選用精密線(xiàn)性光耦HCNR200；③IR2130的9腳故障輸出端與DSP的PDPINTB端口之間的隔離采用TLP521-1芯片。
3.7電源電路系統(tǒng)中需要的電源有+15V，+12V，+5V，+3.3V，-5V，-12V，而系統(tǒng)提供的電壓為+28V，所以其它電源需要用電路或集成元件來(lái)獲得。
4軟件設(shè)計(jì)本文所研究的無(wú)位置傳感器BLDCM速度控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)微處理器采用TMS320LF2407A，對(duì)它的軟件編程涉及到基準(zhǔn)頻率脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、PWM脈沖波的產(chǎn)生、電壓的測(cè)量與閉環(huán)調(diào)節(jié)、反饋信號(hào)的捕捉、故障的檢測(cè)，同時(shí)包括了對(duì)存儲(chǔ)器空間、時(shí)鐘源模塊、事件管理器（EVM）模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、看門(mén)狗等資源的操作。示出系統(tǒng)軟件的主流程圖。
5試驗(yàn)通過(guò)對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行空載閉環(huán)試驗(yàn)可以得到，起動(dòng)電流小于0.5A；工作電流為0.16A；起動(dòng)進(jìn)入鎖相時(shí)間小于6s.電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，采用跟蹤示波器對(duì)電機(jī)采樣信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析可得出該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度小于0.01%；采用測(cè)速模塊直接實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得測(cè)速相對(duì)誤差為1.5>40-4，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
6結(jié)論通過(guò)對(duì)上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，對(duì)高速無(wú)刷直流電機(jī)基于DSP技術(shù)的PWM鎖相穩(wěn)速控制和無(wú)傳感器模塊化測(cè)速進(jìn)行了研究，為電機(jī)高精度穩(wěn)速控制以及無(wú)傳感器模塊化測(cè)速、全數(shù)字化無(wú)傳感器測(cè)速提供了一定的借鑒和。隨著DSP功能逐漸強(qiáng)大，其工作速度越來(lái)越高，這些都為深入研究電機(jī)的控制和測(cè)速創(chuàng)造了必要的條件。
目前，在一些特殊領(lǐng)域（如陀螺電機(jī)中>對(duì)電機(jī)體積、連線(xiàn)的數(shù)目、可靠性等方面的要求嚴(yán)格，而外加傳感器大都對(duì)環(huán)境條件很敏感，如振動(dòng)、潮濕和溫度變化等都會(huì)降低其性能，因而難以保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。而且，傳感器大大增加了電氣連接線(xiàn)數(shù)目，給系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。因此，在這些特殊領(lǐng)域生，研究方向?yàn)閼T性?xún)x表和電機(jī)控制技術(shù)。
中，無(wú)位置傳感器BLDCM成為理想選擇。目前永磁無(wú)刷直流電機(jī)已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，而B(niǎo)LDCM正沿著機(jī)電一體化的方向發(fā)展，即傳統(tǒng)的電機(jī)與電力電子電路、微處理器及其控制軟件集成為一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的迅速發(fā)展，1MS320LF2407A主頻已達(dá)到40MHz，使得無(wú)位置傳感器算法更易于實(shí)現(xiàn)，可很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的無(wú)傳感器控制。用DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，所以，低成本DSP無(wú)位置傳感器無(wú)刷電動(dòng)機(jī)將成為BLDCM的發(fā)展方向和趨勢(shì)。
2控制和測(cè)速系統(tǒng)示出基于DSP的高速無(wú)位置傳感器BLDCM控制和測(cè)速系統(tǒng)總體工作框圖。本系統(tǒng)中電機(jī)采用兩相銣鐵硼永磁式無(wú)位置傳感器BLDCM. 2.1兩相BLDCM工作原理示出兩相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理。
雙H橋-一相導(dǎo)通正交兩相四狀態(tài)如圖所示，電機(jī)米用雙H橋一相導(dǎo)通兩相正交四狀態(tài)工作方式。每隔1/4周期換相一次，對(duì)應(yīng)的晶VT4―VT7，V，當(dāng)VT1，VT2導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)電機(jī)的A相正相導(dǎo)通，電流通過(guò)VTp從A相正端流入，又經(jīng)過(guò)VT2，從A相負(fù)端X流出。VT3和V，VT5和VT4，VT7和VT6分別對(duì)應(yīng)B相正相導(dǎo)通，A相負(fù)相導(dǎo)通，B相負(fù)相導(dǎo)通。
2.2電機(jī)速度檢測(cè)方案的確定字、模擬混合法測(cè)速原理圖。圖中u1是穩(wěn)定運(yùn)行下電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過(guò)放大整形后得到的方波信號(hào)，該方波信號(hào)的頻率為f，通過(guò)計(jì)數(shù)控制，在方波信號(hào)的正半周期，計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖u2進(jìn)行計(jì)數(shù)，在方波下降沿停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器中的數(shù)字量m存入鎖存器，然后清零計(jì)數(shù)器，為下一個(gè)周期計(jì)數(shù)作準(zhǔn)備。只要對(duì)鎖存器中的數(shù)字量進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，并用除法電路求其倒數(shù)，即可得到與電動(dòng)勢(shì)頻率成正比的模擬電壓信號(hào)，也即測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速n.數(shù)?；旌戏y(cè)速的原理圖由電機(jī)學(xué)理論很容易得到鎖存器中m和n的關(guān)系式為：顯然，只要測(cè)得與電動(dòng)勢(shì)頻率成比例的模擬電壓信號(hào)，即可檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速。
3硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的樣機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼采用銣鐵硼永磁材料，三對(duì)極，定子繞組為兩相正交接法。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括功率驅(qū)動(dòng)電路及主電路設(shè)計(jì)；反電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)；邏輯合成和功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)；鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)；光電隔離電路設(shè)計(jì)；速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及電源設(shè)計(jì)。
3.1功率驅(qū)動(dòng)及主電路的設(shè)計(jì)示出功率驅(qū)動(dòng)及主電路圖。在本文的穩(wěn)速系統(tǒng)中，電機(jī)采用“一相導(dǎo)通兩相正交四狀態(tài)”的運(yùn)行方式，電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)360°電角度，定子共有4種磁勢(shì)狀態(tài)，互差90°電角度，功率管的導(dǎo)通順序依次為VT1，VT2―VT3，VT8―VT5，VT4―VT7，VT9，VT6.功率驅(qū)動(dòng)及主電路。2反電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路在電機(jī)端電壓信號(hào)中，不僅包含電機(jī)反電勢(shì)信號(hào)，而且含有斬波信號(hào)，斬波信號(hào)會(huì)嚴(yán)重干擾反電勢(shì)波形，使過(guò)零點(diǎn)不明確，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。因此，必須對(duì)從電機(jī)定子端直接采集的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波。濾波后的信號(hào)再進(jìn)行過(guò)零比較、光電隔離后分別進(jìn)的頻率輸入端。示出反電勢(shì)信號(hào)檢測(cè)電路。
3.3邏輯合成電路DSP輸出的信號(hào)是只與電機(jī)的兩路反電勢(shì)信號(hào)及其過(guò)零點(diǎn)相關(guān)的方波信號(hào)。要將其變?yōu)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)邏輯合成電路。該電路由邏輯合成集成電路芯片GAL16V8D來(lái)實(shí)現(xiàn)。表1給出兩路相反電勢(shì)與功率管的導(dǎo)通關(guān)系。
表1相反電勢(shì)與功率導(dǎo)通關(guān)系器的兩個(gè)輸出端和u2系統(tǒng)軟件流程圖示出PLL電路，Ri端輸入為時(shí)鐘基準(zhǔn)，由產(chǎn)生，Vi端輸入信號(hào)為反電勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、過(guò)零檢測(cè)后得到的頻率信號(hào)，VDi和鎖相環(huán)電路Ui分別代表鑒頻鑒相3.5數(shù)?；旌戏y(cè)速實(shí)際電路在所示的數(shù)?；旌戏y(cè)速原理圖中，計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器控制均可用常規(guī)的數(shù)字集成電路構(gòu)成，其中鎖存允許信號(hào)和計(jì)數(shù)器清零信號(hào)可由單穩(wěn)觸發(fā)電路產(chǎn)生。示出數(shù)模混合除法電路。
數(shù)模混合法測(cè)速實(shí)際電路。6光電隔離需要光電隔離的地方有3處：①DSP輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電路之間用6N137作為隔離芯片；②相反電勢(shì)信號(hào)經(jīng)處理后得到的是模擬量，反饋到DSP時(shí)需要采用線(xiàn)性光耦來(lái)隔離，這里選用精密線(xiàn)性光耦HCNR200；③IR2130的9腳故障輸出端與DSP的PDPINTB端口之間的隔離采用TLP521-1芯片。
3.7電源電路系統(tǒng)中需要的電源有+15V，+12V，+5V，+3.3V，-5V，-12V，而系統(tǒng)提供的電壓為+28V，所以其它電源需要用電路或集成元件來(lái)獲得。
4軟件設(shè)計(jì)本文所研究的無(wú)位置傳感器BLDCM速度控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)微處理器采用TMS320LF2407A，對(duì)它的軟件編程涉及到基準(zhǔn)頻率脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、PWM脈沖波的產(chǎn)生、電壓的測(cè)量與閉環(huán)調(diào)節(jié)、反饋信號(hào)的捕捉、故障的檢測(cè)，同時(shí)包括了對(duì)存儲(chǔ)器空間、時(shí)鐘源模塊、事件管理器（EVM）模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、看門(mén)狗等資源的操作。示出系統(tǒng)軟件的主流程圖。
5試驗(yàn)通過(guò)對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行空載閉環(huán)試驗(yàn)可以得到，起動(dòng)電流小于0.5A；工作電流為0.16A；起動(dòng)進(jìn)入鎖相時(shí)間小于6s.電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，采用跟蹤示波器對(duì)電機(jī)采樣信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析可得出該系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度小于0.01%；采用測(cè)速模塊直接實(shí)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得測(cè)速相對(duì)誤差為1.5>40-4，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。
6結(jié)論通過(guò)對(duì)上述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，對(duì)高速無(wú)刷直流電機(jī)基于DSP技術(shù)的PWM鎖相穩(wěn)速控制和無(wú)傳感器模塊化測(cè)速進(jìn)行了研究，為電機(jī)高精度穩(wěn)速控制以及無(wú)傳感器模塊化測(cè)速、全數(shù)字化無(wú)傳感器測(cè)速提供了一定的借鑒和。隨著DSP功能逐漸強(qiáng)大，其工作速度越來(lái)越高，這些都為深入研究電機(jī)的控制和測(cè)速創(chuàng)造了必要的條件。
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