基于續(xù)流二極管法的無位置傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計

馮培磊，劉 沖，陳瀟雅，孫 文，趙 玉，徐天奇

［1.國網(wǎng)新源安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市 237000；2.國電投（天津）分布式能源有限公司，天津市 300380；3.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南省昆明市 65000］

1 續(xù)流二極管法

1.1 續(xù)流二極管法的介紹

續(xù)流二極管法[2]是通過檢測反電動勢過零點附近斷開相續(xù)流二極管的通斷情況來確定該相反電動勢過零點的位置，并進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子的位置。文獻(xiàn)[5，6]中介紹該方法適用于120°導(dǎo)通方式的永磁無刷直流電機。

1.2 續(xù)流二極管定義法

無刷直流電機的三相繞組為兩兩導(dǎo)通方式，也就是每次都會有一相繞組不導(dǎo)通，當(dāng)電機進(jìn)行換相時，之前處于導(dǎo)通狀態(tài)的兩相繞組有一相會被斷開，而斷開的那相繞組的開關(guān)管會打開使其變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，這時斷開相繞組的電流不會因為該相開關(guān)管的關(guān)斷馬上變?yōu)榱悖峭ㄟ^該相另一個橋臂的續(xù)流二極管進(jìn)行續(xù)流，直到斷開相反電動勢過零點時才變?yōu)榱?。所以，如果在反電動勢過零點附近檢測到某個續(xù)流二極管中電流突然變?yōu)榱悖涂梢源_定當(dāng)前關(guān)斷相繞組為哪一相，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子的位置。

功率開關(guān)管的控制信號如圖1所示，續(xù)流二極管的具體導(dǎo)通情況如下：開關(guān)管V1V4開通，AB相繞組通電，換相時續(xù)流二極管D3導(dǎo)通續(xù)流；開關(guān)管V1V6開通，AC相繞組通電，換相時續(xù)流二極管D2導(dǎo)通續(xù)流；開關(guān)管V3V6開通，BC相繞組通電，換相時續(xù)流二極管D5導(dǎo)通續(xù)流；開關(guān)管V3V2開通，BA相繞組通電，換相時續(xù)流二極管D4導(dǎo)通續(xù)流；開關(guān)管V5V2開通，CA相繞組通電，換相時續(xù)流二極管D1導(dǎo)通續(xù)流；開關(guān)管V5V4開通，CB相繞組通電，換相時續(xù)流二極管D6導(dǎo)通續(xù)流。

圖1 功率開關(guān)管控制信號Figure 1 Power switch control signal

三相反電動勢過零點與續(xù)流二極管對應(yīng)關(guān)系如表1所示，在反電動勢過零點附近檢測到某個續(xù)流二極管遞減為0即可確定轉(zhuǎn)子的位置，進(jìn)而實現(xiàn)換相。

表1 反電動勢過零點與續(xù)流二極管對應(yīng)關(guān)系表Table 1 The corresponding relation between the back EMF zero crossing point and the freewheeling diode

2 無位置傳感器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

文獻(xiàn)[1]中無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)以DSP芯片TMS320F28335為核心，通過續(xù)流二極管定義法確定反電動勢過零點，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)子位置，產(chǎn)生PWM信號并以IR2136芯片給逆變器提供驅(qū)動信號。該控制系統(tǒng)主要由功率電路和控制電路組成，功率電路主要包括整流電路、逆變電路和驅(qū)動電路，它把電源提供的電能經(jīng)過整流電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接到逆變電路，同時由驅(qū)動電路對逆變電路的開關(guān)管進(jìn)行控制，進(jìn)而控制無刷直流電機；控制電路主要包括起停電路、調(diào)速電路和位置檢測電路，它對電機系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使其按著要求正常運轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于DSP無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Figure 2 Structure diagram of sensorless control system based on DSP

無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)的軟件程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序和子程序組成，主要包括系統(tǒng)初始化、電機啟動、轉(zhuǎn)子位置檢測、PWM脈沖生成、換相控制、PID轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等功能的實現(xiàn)。

2.1 主程序設(shè)計

主程序?qū)φ麄€系統(tǒng)進(jìn)行了初始化，完成了電機的啟動，并且實現(xiàn)電機閉環(huán)控制，主要包括三個重要階段：初始化階段、電機啟動階段、閉環(huán)運行階段。

2.2 初始化程序設(shè)計

（1）初始化參數(shù)變量。

主要包括CPU時鐘頻率的賦值、PWM頻率的賦值、CAP中斷函數(shù)的定義及其參數(shù)的賦值、定時器T0中斷函數(shù)的定義及其參數(shù)的賦值、ADC中斷函數(shù)的定義、delay函數(shù)的定義、SCIB函數(shù)的定義、pidcontrol函數(shù)的定義及其參數(shù)的賦值、母線電壓電流的定義、電機參數(shù)的賦值、PWM占空比的賦值等。

（2）初始化控制系統(tǒng)。

主要包括PLL（鎖相環(huán)）的初始化、WatchDog（看門狗）的初始化和Periphreal Clocks（外設(shè)時鐘）的初始化。

（3）初始化GPIO。

對GPIO輸入輸出口進(jìn)行初始化，并將GPIO0─GPIO5配置為6路PWM信號：EPWM1A、EPWM1B、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B，GPIO24配 置 為 ECAP1，GPIO25配置為ECAP2，GPIO26配置為ECAP3，GPIO27配置為LED1，GPIO52配置為LED3，GPIO53配置為LED2。

（4）初始化PIE。

對 PIE控制寄存器初始化至默認(rèn)狀態(tài)，即所有的PIE中斷都被禁止，標(biāo)志位都被清除；關(guān)閉所有CPU中斷，清除CPU中斷相關(guān)的標(biāo)志位；初始化PIE中斷向量表，并配置定時器TO、CAP和ADC的中斷入口地址。

（5）初始化外設(shè)設(shè)備。

對CPU定時器進(jìn)行初始化，配置定時器T0的頻率和周期；對CAP進(jìn)行初始化；對ADC進(jìn)行初始化。

主程序流程圖如圖3所示。

2.3 電機啟動程序設(shè)計

電機無位置傳感器控制在靜止或者低速時不能準(zhǔn)確判斷轉(zhuǎn)子的位置，無法進(jìn)行正確的換相處理，給電機的啟動造成了困難，對此，本系統(tǒng)采用了“三段式啟動”技術(shù)，主要分為以下三個階段。

（1）轉(zhuǎn)子預(yù)定位階段。

對任意兩相繞組通電，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子電樞繞組合成磁場的方向一致，并且施加一定的延遲，目的是為了等待電機的旋轉(zhuǎn)軸停止振蕩，接著使電機的三相繞組同時導(dǎo)通，使轉(zhuǎn)子達(dá)到預(yù)定的位置，完成轉(zhuǎn)子的預(yù)定位。

圖3 主程序流程圖Figure 3 Flow chart of main program

（2）電機開環(huán)加速階段[4]。

根據(jù)轉(zhuǎn)子預(yù)定位的位置，按照正確的換相順序給電機供電，在換相過程中，增加PWM的占空比，使電機轉(zhuǎn)速不斷增加。

（3）自同步運行。

當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到足夠大時，就可以獲取轉(zhuǎn)子位置信息，切換到自同步運行狀態(tài)，實現(xiàn)電機閉環(huán)運行。

2.4 中斷服務(wù)程序設(shè)計

中斷服務(wù)程序主要包括CAP捕獲中斷服務(wù)程序、定時器T0中斷服務(wù)程序、ADC中斷服務(wù)程序，目的是為了實現(xiàn)電機的換相，轉(zhuǎn)速的計算以及過壓和過流保護(hù)。

2.5 CAP捕獲中斷服務(wù)程序設(shè)計

CAP捕獲中斷服務(wù)程序的作用是通過CAP中斷實現(xiàn)3個CAP捕獲端口電平狀態(tài)的捕獲，進(jìn)而確定電機當(dāng)前的位置，為定時器T0中斷服務(wù)程序提供換相信息，同時計算出電機的實時轉(zhuǎn)速。

CAP捕獲電平狀態(tài)與反電動勢的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示，無刷主流電機為120°導(dǎo)通方式，中間相隔60°，一個周期進(jìn)行6次換相，并且反電動勢分別有3個上升沿和下降沿，分別對應(yīng)了不同的換相時刻，因此將CAP的捕獲端口設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕獲中斷功能，配置三個捕獲端口CAP1、CAP2和CAP3，CAP的捕獲電平狀態(tài)分別對應(yīng)6路PWM信號，在捕捉到上升沿或者下降沿的同時，該相續(xù)流二極管遞減為0，則該點即為反電動勢的過零點，延遲30°電角度對電機進(jìn)行換相[4]。要實現(xiàn)電機的閉環(huán)運行，就必須準(zhǔn)確的計算出電機的實時轉(zhuǎn)速，下面是對轉(zhuǎn)速計算的軟件設(shè)計。

圖4 CAP捕獲電平狀態(tài)與反電動勢的對應(yīng)關(guān)系Figure 4 The correspondence between CAP capture level and back EMF

本系統(tǒng)研究的電機極對數(shù)為2，因此電機運行一個周期會進(jìn)行12次換相，相應(yīng)的也會進(jìn)入12次CAP中斷。定時器的定時時間為T，在定時器T0中設(shè)置一個計數(shù)器count，初始值為0，每次T0中斷count自增一次，在CAP中斷中設(shè)置一個計數(shù)器l，初始值也為0，每次進(jìn)入CAP中斷l(xiāng)自增一次，當(dāng)CAP第一次進(jìn)入中斷時，可以計算出電機運轉(zhuǎn)1個狀態(tài)所需的時間：

計數(shù)器l自增變成1，同時定時器T0的計數(shù)器count清零，當(dāng)CAP進(jìn)入第二次中斷時，根據(jù)式（1）同樣可以計算出電機運轉(zhuǎn)第二個狀態(tài)的時間，并且將前兩個狀態(tài)的時間累加，計算出電機運轉(zhuǎn)的時間：

此時計數(shù)器l自增變成2，count清零。直到l變?yōu)?2時，電機運行一個周期，得到電機轉(zhuǎn)動一周的總時間Sum，單位是μs，進(jìn)而計算出電機的實時轉(zhuǎn)速為：

電機運行一個周期進(jìn)入12次CAP中斷，連續(xù)兩次進(jìn)入CAP中斷的時間間隔即為電機運轉(zhuǎn)60°電角度的時間：

那么電機轉(zhuǎn)過30°電角度的時間為t/2。設(shè)置標(biāo)志位FLAG，電機每次進(jìn)入CAP中斷，F(xiàn)LAG置位1，跳入定時器T0中斷服務(wù)程序。

2.6 定時器T0中斷服務(wù)程序設(shè)計

定時器T0中斷服務(wù)程序的作用主要是根據(jù)續(xù)流二極管狀態(tài)確定反電動勢過零點并進(jìn)行延時處理，通過CAP捕獲的電平狀態(tài)進(jìn)行換相控制，實現(xiàn)電機的正確換相[5]。

換相關(guān)系表如表2所示，當(dāng)FLAG置位1時，跳入定時器T0中斷服務(wù)程序，此時處于反電動勢沿觸發(fā)狀態(tài)，滿足續(xù)流二極管遞減為0時進(jìn)行延時t/2μs，延時完成后，根據(jù)CAP捕獲電平狀態(tài)和開關(guān)管的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行換相處理，換相完成后FLAG置位0。

表2 換相關(guān)系表Table 2 commutation relationship

2.7 ADC中斷服務(wù)程序設(shè)計

ADC中斷服務(wù)程序的作用是采集母線電壓和電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并且檢測，實現(xiàn)過壓和過流保護(hù)。

在ADC中斷程序中，首先對電流和電壓進(jìn)行采集并將轉(zhuǎn)換后的電壓值賦值給dcvoltage，轉(zhuǎn)換后的電流值賦值給dccurrent，設(shè)置電壓計數(shù)器dcvcount，電流計數(shù)器dcccount，初始值都為0，每次進(jìn)入中斷自增一次，由于電壓和電流可能有脈動，于是采用分別將多個電壓值和電流值相加求平均值的方法，當(dāng)電壓計數(shù)器dcvcount=500時求得電壓的平均值，并將dcvcount清零，如果電壓平均值大于3000，則過壓指示燈LED2亮起，電機停止；當(dāng)電流計數(shù)器dcccount=200時求得電流的平均值，并將dcccount清零，如果電流平均值大于3000，則過流指示燈LED3亮起，電機停止。ADC中斷服務(wù)程序的流程圖如圖5所示。

2.8 子程序設(shè)計

本系統(tǒng)子程序的設(shè)計主要為PID速度調(diào)節(jié)，將給定轉(zhuǎn)速與CAP中斷服務(wù)程序中得到的實時轉(zhuǎn)速求差值，并進(jìn)行PID處理，改變PWM波形的占空比，從而對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。

圖5 ADC中斷服務(wù)程序流程圖Figure 5 ADC interrupt service flow chart

PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖6所示，比例環(huán)節(jié)的作用是使系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速差值能夠快速響應(yīng)；積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精度；微分環(huán)節(jié)的作用是體現(xiàn)轉(zhuǎn)速差值變化趨勢，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠提早處理[7，8]。

圖6 PID速度調(diào)節(jié)控制圖Figure 6 PID speed control chart

設(shè)U(t)為轉(zhuǎn)速的給定值，Y(t)為轉(zhuǎn)速的實際值，轉(zhuǎn)速給定值與實際值的差值E(t)為：

設(shè)比例系數(shù)為Kp，積分常數(shù)為Ti，微分常數(shù)為Td，差值E(t)經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器的輸出值D（t）為：

對式（6）進(jìn)行離散化處理為：

式（7）中k=0，1，2，3，…，設(shè)積分系數(shù)為Ki，微分系數(shù)為Kd，又

把以上兩式代入到式（6）可以變?yōu)?/p>

將PID調(diào)節(jié)的輸出值D（k）賦值給PWM的比較寄存器CMPR，改變PWM的占空比，完成電機的調(diào)速，進(jìn)而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 無位置傳感器控制系統(tǒng)實驗

3.1 實驗平臺的介紹

無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)的實驗平臺主要由以下幾部分組成：①電機：無刷直流電機，極對數(shù)為2，由24V直流電源供電，連接到驅(qū)動板；②仿真器：型號為XD100V2，連接電腦和控制板；③控制板：主控DSP芯片型號為TMS320F28335，對電腦傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，給驅(qū)動板提供控制信號；④驅(qū)動板：驅(qū)動芯片型號為IR2136，接受控制板發(fā)送的信號，經(jīng)過處理后將驅(qū)動信號提供給電機，控制電機的旋轉(zhuǎn)；⑤供電電源：主要有24V直流電源和5V直流電源，分別給驅(qū)動板和控制板供電，實驗平臺的實物圖如圖7所示。

圖7 實驗平臺總體連接圖Figure 7 Overall connection diagram of experimental platform

3.2 實驗結(jié)果與分析

在給定轉(zhuǎn)速為800r/min、900r/min、1000r/min的情況下，對無刷直流電機無位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了實驗，得到轉(zhuǎn)速的實時波形如圖8～圖10所示。

控制板和驅(qū)動板接入電源，運行程序后，電機能夠正常旋轉(zhuǎn)，由波形可以看出，不論給定轉(zhuǎn)速為多少，電機都可以在很短的時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，并且穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速的大小附近，驗證了基于續(xù)流二極管法無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

圖8 給定轉(zhuǎn)速800r/min時的轉(zhuǎn)速波形Figure 8 Speed waveform at a given speed of 800r/ min

圖9 給定轉(zhuǎn)速900r/min時轉(zhuǎn)速波形Figure 9 Speed waveform at a given speed 900r/min

圖10 給定轉(zhuǎn)速1000r/min時的轉(zhuǎn)速波形Figure 10 Speed waveform of a given speed 1000r/min

4 總結(jié)

在續(xù)流二極管定義法的基礎(chǔ)上建立了無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)，經(jīng)過多次實驗，電機都能快速響應(yīng)并且穩(wěn)定運行，充分地說明了該控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性以及可行性。使用DSP芯片TMS320F28335建立控制系統(tǒng)，利用CAP捕獲寄存器中斷實現(xiàn)了電機的正確換相，并且根據(jù)中斷時間準(zhǔn)確計算出了電機的實時轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)是實現(xiàn)了電機的閉環(huán)控制，節(jié)約了成本，簡化了電路，證明了該芯片在電機控制方面的強大優(yōu)勢。

基于續(xù)流二極管法的無刷直流電機無位置傳感器控制系統(tǒng)，通過續(xù)流二極管定義法實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置檢測，在CCS4.1.2平臺上實現(xiàn)了無位置傳感器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，以TMS320F28335為DSP主控芯片，經(jīng)過軟硬件的結(jié)合，實現(xiàn)了電機的閉環(huán)控制，使電機穩(wěn)定運行。