煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制技術研究

韓英

【摘要】 針對煤礦無刷直流電機無位置傳感器技術進行研究，設計無位置傳感器控制系統(tǒng)的整體結構和軟件程序，并對系統(tǒng)進行分析。該系統(tǒng)簡化了硬件電路設計，具有結構簡單、穩(wěn)定性好和可控性強等特點，是煤礦無刷直流電機控制的理想選擇。

【關鍵詞】 煤礦 直流電機 無位置傳感器 控制

在礦用各類電機中，無刷直流電機具有調速特性好、輸出轉矩大及過載能力強等優(yōu)點。傳統(tǒng)轉子位置檢測時多采用霍爾傳感器或光電編碼器，不但增加了電機的體積和成本，還降低了電機運行的可靠性（傳感器供電、信號處理和傳輸線路眾多），同時，在煤礦井下惡劣的工作環(huán)境下傳感器的性能降低，甚至無法正常工作。此外，傳感器的安裝精度還影響著電機的性能，使得生產工藝難度大大增加。

隨著科技的迅猛發(fā)展，電力電子技術和電機控制理論不斷進步，各類用于煤礦無刷直流電機控制的處理器功能不斷增強，運行和數據處理速度也發(fā)生了質的飛越，為無刷直流電機無位置傳感器控制技術的發(fā)展奠定基礎。TMS320X2812是專業(yè)用于無刷直流電機的控制芯片，能夠在一個周期內完成32×32位的乘法累加運算，能夠完成64位數據處理，從而使該處理器能夠實現(xiàn)高精度的處理任務。編寫控制算法的軟件程序，可以實現(xiàn)模糊控制、神經元控制和自適應控制等，從而提高無刷直流電機的控制精度。本文主要研究煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制技術，并對控制系統(tǒng)的可行性進行詳細分析。

一、無傳感器位置檢測技術

根據電機轉子位置變化而改變功率器件的導通順序，電機轉子磁場和繞組電流產生的磁場相互作用產生穩(wěn)定的電磁推力，保證煤礦無刷直流電機能夠可靠運行。煤礦無刷直流電機轉子位置檢測是電機控制技術首先要解決的問題，位置檢測技術發(fā)展經歷了位置傳感器檢測技術和無位置傳感器檢測技術兩個階段。無位置傳感器技術通過檢測電機的磁鏈、電壓和電流等物理量，然后經過DSP進行計算得到電機轉子位置信息?，F(xiàn)行主要的檢測方法有端電壓檢測法、反電勢過零檢測法、瞬時電壓方程法和續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法等，本文采用反電勢過零檢測法對煤礦無刷直流電機轉子位置進行檢測。

因為反電動勢很難直接進行測量，所以反電勢過零檢測法是通過比較電機三相繞組端電壓進而間接得到過零信號。圖1為煤礦無刷直流電機A相繞組的等效原理圖，圖中Ra為A相電阻，La為A相電感， Ea為A相反電勢，V為三相繞組星形連接時中點對地的電壓，R為分流電阻，Va為A相端電壓。Va的值經過DSP內部程序計算得到，具體計算過程如下式：

（1）

圖1 A相等效原理圖

二、控制系統(tǒng)設計

由于煤礦無刷直流電機的轉矩來源于定子磁場和轉子磁場之間的相互作用，電機三相繞組的導通順序根據轉子位置改變而變化，即轉子位置直接決定電機的繞組導通順序，所以轉子位置檢測是控制系統(tǒng)要解決的首要問題。煤礦無刷直流電機的輸出轉矩大小取決于轉子電流的大小，調速系統(tǒng)實質就是調節(jié)三相繞組中的電流大小，電流檢測是控制系統(tǒng)要解決重要問題。煤礦無刷直流電機三相繞組電流為方波直流，電流與電壓成正比，所以通過調節(jié)電壓的幅值來實現(xiàn)對電流的控制。系統(tǒng)調速是采用PWM控制方式，系統(tǒng)運行時處理器（DSP）將電流信號與給定值相比較，利用電流閉環(huán)調節(jié)PWM信號的占空比進而調節(jié)逆變器的輸出電壓值，實現(xiàn)系統(tǒng)的電流控制和速度調節(jié)，煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

控制系統(tǒng)換向和速度檢測是通過軟件程序實現(xiàn)的，電機開始運行時根據開環(huán)啟動程序完成，運行過程中通過檢測各相繞組反電勢的過零點實現(xiàn)電機繞組的準確換向，DSP根據信號捕捉引腳獲取的反電勢過零點次數來計算電機的轉速，為速度閉環(huán)控制提供速度反饋。DSP采集霍爾電流傳感器檢測的電流信號，并經過運算處理得到電機的電流值，為電流閉環(huán)控制提供反饋信息。開環(huán)啟動程序如圖3所示，設系統(tǒng)相序控制變量為phase，開、閉環(huán)標識變量為flga，當flga=1為開環(huán)；flga=0為閉環(huán)。開始時，令phase=0，系統(tǒng)先導通AB兩相，flga=1，表示進入開環(huán)啟動狀態(tài)。在定時器T2中設置A、B兩相導通的預定為時間，當T2減小到零，發(fā)送換向信號phase=phase+1。Phase的值為0、1、2、3、4、5時，對應繞組的導通順序為AB、AC、BC、BA、CA和CB。當phase=6時對它清零，同時令flga=0，接著進入無位置傳感器閉環(huán)控制程序。 開環(huán)啟動過程中需要通過程序將PWM信號占空比設置逐漸增大，以使電機轉速不斷提高，換向時間要逐漸減小，以保證對換向的可靠控制。

三、結束語

本文在介紹數字信號處理器和無位置傳感器技術的基礎上，設計基于DSP的煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)。TMS320F2412具有內部豐富的資源及強大的信號處理能力，軟件通過檢測反電動勢過零信號和電流信號進而計算電機的位置、電流及轉速等，實現(xiàn)系統(tǒng)開環(huán)啟動和閉環(huán)控制，簡化了控制系統(tǒng)的硬件結構，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，使煤礦無刷直流電機得到高效可靠控制。

參 考 文 獻

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 王曉明， 王玲. 電動機的DSP控制[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2004.

[3] 王京峰， 孫純祥. 基于DSP的永磁無刷直流電動機速度控制[J]. 微電機， 2006， 39 （1）： 69272

【摘要】 針對煤礦無刷直流電機無位置傳感器技術進行研究，設計無位置傳感器控制系統(tǒng)的整體結構和軟件程序，并對系統(tǒng)進行分析。該系統(tǒng)簡化了硬件電路設計，具有結構簡單、穩(wěn)定性好和可控性強等特點，是煤礦無刷直流電機控制的理想選擇。

【關鍵詞】 煤礦 直流電機 無位置傳感器 控制

在礦用各類電機中，無刷直流電機具有調速特性好、輸出轉矩大及過載能力強等優(yōu)點。傳統(tǒng)轉子位置檢測時多采用霍爾傳感器或光電編碼器，不但增加了電機的體積和成本，還降低了電機運行的可靠性（傳感器供電、信號處理和傳輸線路眾多），同時，在煤礦井下惡劣的工作環(huán)境下傳感器的性能降低，甚至無法正常工作。此外，傳感器的安裝精度還影響著電機的性能，使得生產工藝難度大大增加。

隨著科技的迅猛發(fā)展，電力電子技術和電機控制理論不斷進步，各類用于煤礦無刷直流電機控制的處理器功能不斷增強，運行和數據處理速度也發(fā)生了質的飛越，為無刷直流電機無位置傳感器控制技術的發(fā)展奠定基礎。TMS320X2812是專業(yè)用于無刷直流電機的控制芯片，能夠在一個周期內完成32×32位的乘法累加運算，能夠完成64位數據處理，從而使該處理器能夠實現(xiàn)高精度的處理任務。編寫控制算法的軟件程序，可以實現(xiàn)模糊控制、神經元控制和自適應控制等，從而提高無刷直流電機的控制精度。本文主要研究煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制技術，并對控制系統(tǒng)的可行性進行詳細分析。

一、無傳感器位置檢測技術

根據電機轉子位置變化而改變功率器件的導通順序，電機轉子磁場和繞組電流產生的磁場相互作用產生穩(wěn)定的電磁推力，保證煤礦無刷直流電機能夠可靠運行。煤礦無刷直流電機轉子位置檢測是電機控制技術首先要解決的問題，位置檢測技術發(fā)展經歷了位置傳感器檢測技術和無位置傳感器檢測技術兩個階段。無位置傳感器技術通過檢測電機的磁鏈、電壓和電流等物理量，然后經過DSP進行計算得到電機轉子位置信息?，F(xiàn)行主要的檢測方法有端電壓檢測法、反電勢過零檢測法、瞬時電壓方程法和續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法等，本文采用反電勢過零檢測法對煤礦無刷直流電機轉子位置進行檢測。

因為反電動勢很難直接進行測量，所以反電勢過零檢測法是通過比較電機三相繞組端電壓進而間接得到過零信號。圖1為煤礦無刷直流電機A相繞組的等效原理圖，圖中Ra為A相電阻，La為A相電感， Ea為A相反電勢，V為三相繞組星形連接時中點對地的電壓，R為分流電阻，Va為A相端電壓。Va的值經過DSP內部程序計算得到，具體計算過程如下式：

（1）

圖1 A相等效原理圖

二、控制系統(tǒng)設計

由于煤礦無刷直流電機的轉矩來源于定子磁場和轉子磁場之間的相互作用，電機三相繞組的導通順序根據轉子位置改變而變化，即轉子位置直接決定電機的繞組導通順序，所以轉子位置檢測是控制系統(tǒng)要解決的首要問題。煤礦無刷直流電機的輸出轉矩大小取決于轉子電流的大小，調速系統(tǒng)實質就是調節(jié)三相繞組中的電流大小，電流檢測是控制系統(tǒng)要解決重要問題。煤礦無刷直流電機三相繞組電流為方波直流，電流與電壓成正比，所以通過調節(jié)電壓的幅值來實現(xiàn)對電流的控制。系統(tǒng)調速是采用PWM控制方式，系統(tǒng)運行時處理器（DSP）將電流信號與給定值相比較，利用電流閉環(huán)調節(jié)PWM信號的占空比進而調節(jié)逆變器的輸出電壓值，實現(xiàn)系統(tǒng)的電流控制和速度調節(jié)，煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

控制系統(tǒng)換向和速度檢測是通過軟件程序實現(xiàn)的，電機開始運行時根據開環(huán)啟動程序完成，運行過程中通過檢測各相繞組反電勢的過零點實現(xiàn)電機繞組的準確換向，DSP根據信號捕捉引腳獲取的反電勢過零點次數來計算電機的轉速，為速度閉環(huán)控制提供速度反饋。DSP采集霍爾電流傳感器檢測的電流信號，并經過運算處理得到電機的電流值，為電流閉環(huán)控制提供反饋信息。開環(huán)啟動程序如圖3所示，設系統(tǒng)相序控制變量為phase，開、閉環(huán)標識變量為flga，當flga=1為開環(huán)；flga=0為閉環(huán)。開始時，令phase=0，系統(tǒng)先導通AB兩相，flga=1，表示進入開環(huán)啟動狀態(tài)。在定時器T2中設置A、B兩相導通的預定為時間，當T2減小到零，發(fā)送換向信號phase=phase+1。Phase的值為0、1、2、3、4、5時，對應繞組的導通順序為AB、AC、BC、BA、CA和CB。當phase=6時對它清零，同時令flga=0，接著進入無位置傳感器閉環(huán)控制程序。 開環(huán)啟動過程中需要通過程序將PWM信號占空比設置逐漸增大，以使電機轉速不斷提高，換向時間要逐漸減小，以保證對換向的可靠控制。

三、結束語

本文在介紹數字信號處理器和無位置傳感器技術的基礎上，設計基于DSP的煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)。TMS320F2412具有內部豐富的資源及強大的信號處理能力，軟件通過檢測反電動勢過零信號和電流信號進而計算電機的位置、電流及轉速等，實現(xiàn)系統(tǒng)開環(huán)啟動和閉環(huán)控制，簡化了控制系統(tǒng)的硬件結構，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，使煤礦無刷直流電機得到高效可靠控制。

參 考 文 獻

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 王曉明， 王玲. 電動機的DSP控制[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2004.

[3] 王京峰， 孫純祥. 基于DSP的永磁無刷直流電動機速度控制[J]. 微電機， 2006， 39 （1）： 69272

【摘要】 針對煤礦無刷直流電機無位置傳感器技術進行研究，設計無位置傳感器控制系統(tǒng)的整體結構和軟件程序，并對系統(tǒng)進行分析。該系統(tǒng)簡化了硬件電路設計，具有結構簡單、穩(wěn)定性好和可控性強等特點，是煤礦無刷直流電機控制的理想選擇。

【關鍵詞】 煤礦 直流電機 無位置傳感器 控制

在礦用各類電機中，無刷直流電機具有調速特性好、輸出轉矩大及過載能力強等優(yōu)點。傳統(tǒng)轉子位置檢測時多采用霍爾傳感器或光電編碼器，不但增加了電機的體積和成本，還降低了電機運行的可靠性（傳感器供電、信號處理和傳輸線路眾多），同時，在煤礦井下惡劣的工作環(huán)境下傳感器的性能降低，甚至無法正常工作。此外，傳感器的安裝精度還影響著電機的性能，使得生產工藝難度大大增加。

隨著科技的迅猛發(fā)展，電力電子技術和電機控制理論不斷進步，各類用于煤礦無刷直流電機控制的處理器功能不斷增強，運行和數據處理速度也發(fā)生了質的飛越，為無刷直流電機無位置傳感器控制技術的發(fā)展奠定基礎。TMS320X2812是專業(yè)用于無刷直流電機的控制芯片，能夠在一個周期內完成32×32位的乘法累加運算，能夠完成64位數據處理，從而使該處理器能夠實現(xiàn)高精度的處理任務。編寫控制算法的軟件程序，可以實現(xiàn)模糊控制、神經元控制和自適應控制等，從而提高無刷直流電機的控制精度。本文主要研究煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制技術，并對控制系統(tǒng)的可行性進行詳細分析。

一、無傳感器位置檢測技術

根據電機轉子位置變化而改變功率器件的導通順序，電機轉子磁場和繞組電流產生的磁場相互作用產生穩(wěn)定的電磁推力，保證煤礦無刷直流電機能夠可靠運行。煤礦無刷直流電機轉子位置檢測是電機控制技術首先要解決的問題，位置檢測技術發(fā)展經歷了位置傳感器檢測技術和無位置傳感器檢測技術兩個階段。無位置傳感器技術通過檢測電機的磁鏈、電壓和電流等物理量，然后經過DSP進行計算得到電機轉子位置信息?，F(xiàn)行主要的檢測方法有端電壓檢測法、反電勢過零檢測法、瞬時電壓方程法和續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法等，本文采用反電勢過零檢測法對煤礦無刷直流電機轉子位置進行檢測。

因為反電動勢很難直接進行測量，所以反電勢過零檢測法是通過比較電機三相繞組端電壓進而間接得到過零信號。圖1為煤礦無刷直流電機A相繞組的等效原理圖，圖中Ra為A相電阻，La為A相電感， Ea為A相反電勢，V為三相繞組星形連接時中點對地的電壓，R為分流電阻，Va為A相端電壓。Va的值經過DSP內部程序計算得到，具體計算過程如下式：

（1）

圖1 A相等效原理圖

二、控制系統(tǒng)設計

由于煤礦無刷直流電機的轉矩來源于定子磁場和轉子磁場之間的相互作用，電機三相繞組的導通順序根據轉子位置改變而變化，即轉子位置直接決定電機的繞組導通順序，所以轉子位置檢測是控制系統(tǒng)要解決的首要問題。煤礦無刷直流電機的輸出轉矩大小取決于轉子電流的大小，調速系統(tǒng)實質就是調節(jié)三相繞組中的電流大小，電流檢測是控制系統(tǒng)要解決重要問題。煤礦無刷直流電機三相繞組電流為方波直流，電流與電壓成正比，所以通過調節(jié)電壓的幅值來實現(xiàn)對電流的控制。系統(tǒng)調速是采用PWM控制方式，系統(tǒng)運行時處理器（DSP）將電流信號與給定值相比較，利用電流閉環(huán)調節(jié)PWM信號的占空比進而調節(jié)逆變器的輸出電壓值，實現(xiàn)系統(tǒng)的電流控制和速度調節(jié)，煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

控制系統(tǒng)換向和速度檢測是通過軟件程序實現(xiàn)的，電機開始運行時根據開環(huán)啟動程序完成，運行過程中通過檢測各相繞組反電勢的過零點實現(xiàn)電機繞組的準確換向，DSP根據信號捕捉引腳獲取的反電勢過零點次數來計算電機的轉速，為速度閉環(huán)控制提供速度反饋。DSP采集霍爾電流傳感器檢測的電流信號，并經過運算處理得到電機的電流值，為電流閉環(huán)控制提供反饋信息。開環(huán)啟動程序如圖3所示，設系統(tǒng)相序控制變量為phase，開、閉環(huán)標識變量為flga，當flga=1為開環(huán)；flga=0為閉環(huán)。開始時，令phase=0，系統(tǒng)先導通AB兩相，flga=1，表示進入開環(huán)啟動狀態(tài)。在定時器T2中設置A、B兩相導通的預定為時間，當T2減小到零，發(fā)送換向信號phase=phase+1。Phase的值為0、1、2、3、4、5時，對應繞組的導通順序為AB、AC、BC、BA、CA和CB。當phase=6時對它清零，同時令flga=0，接著進入無位置傳感器閉環(huán)控制程序。 開環(huán)啟動過程中需要通過程序將PWM信號占空比設置逐漸增大，以使電機轉速不斷提高，換向時間要逐漸減小，以保證對換向的可靠控制。

三、結束語

本文在介紹數字信號處理器和無位置傳感器技術的基礎上，設計基于DSP的煤礦無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)。TMS320F2412具有內部豐富的資源及強大的信號處理能力，軟件通過檢測反電動勢過零信號和電流信號進而計算電機的位置、電流及轉速等，實現(xiàn)系統(tǒng)開環(huán)啟動和閉環(huán)控制，簡化了控制系統(tǒng)的硬件結構，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，使煤礦無刷直流電機得到高效可靠控制。

參 考 文 獻

[1] 王成元，夏加寬，孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.

[2] 王曉明， 王玲. 電動機的DSP控制[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2004.

[3] 王京峰， 孫純祥. 基于DSP的永磁無刷直流電動機速度控制[J]. 微電機， 2006， 39 （1）： 69272