无传感器单电流检测的无刷直流电机控制

1.引言      

       直流电动机以其优秀的线形机械特性、较宽的调速范围、大的启动转矩、控制方法较简单等优点，在各种驱动、伺服系统中有着广泛的应用[1]，但传统的直流电机中的电刷和换向器由于直接接触、摩擦造成的磨损、火花、噪声等是一个不可忽视的问题。永磁无刷直流电机（PMBLDCM，以下直接简称为BLDCM）利用电子换向替代了机械换向，没有磨损、火花，噪声大大减小，目前有着大量的应用，但如何实现最低成本的最优化控制，迄今为止尚无完美的解决方案。本文给出了较之大部分控制方法成本更加低廉、结构更加简单的解决方案，并通过实验进行了验证。

　对于无刷直流电机，控制方法的核心是要获得电机位置或速度的实时信息。目前获得位置、速度信息的方法主要有两种：1.依靠霍耳元件或者码盘来获得位置、速度信号[2]，这种方法比较直观简单，但是存在如下问题：增加了器件成本，在无法加装传感器的时候无效；2.无传感器(Sensorless)方法，即不加装传感器，目前主要有反电动势过零检测法[3][4]、三次谐波分析法[5]、Kalman预测法[6]，而这几类方法大都局限于反电动势为梯形的BLDCM，而且有的需要加装特别的外部电路[3][4]，在一些场合下无法实现；有的算法复杂，会造成较大的实时误差[6]，也不是很实用。目前一些公司如NEC，Renesas已经开发出了针对正弦反电动势BLDCM的无传感器的控制芯片，但是价格贵，调试繁琐，升级不方便是很大的问题。本文给出了一种新的针对正弦反电动势电机的控制方法，控制采用了TI公司DSP芯片（TMS320LF2407A），核心代码完全用C语言开发，便于调试、升级，同时实现了很好的启动和调速功能，并对整个电路进行了最大的简化，无需加装特别的采样电路，利用系统中的电路保护电阻完成对电流的采样。

2系统结构综述

　　参考图1，本系统中通过单电流采样，在DSP中实现电流鉴别算法和滤波算法，得到对应的三相电流，通过速度位置估算算法计算出电机转子的当前位置和速度，然后利用PI反馈算法生成新的PWM作用于电机之上，完成一个控制流程。这样循环往复，实现了电机从启动到正常运转以及调速的功能，下面将分别阐述各部分的原理与实现。

　　图1 BLDC控制系统示意图

3单电流采样的实现

　　如图2所示，电机的驱动采用了七段式的空间矢量法(SVPWM，Space Vector PWM)，利用六个依次相差60度的基本矢量和全0矢量（与全1矢量等效），根据不同的作用时间合成按给定转速作圆周转动的旋转矢量。

　　图2 SVPWM波形生成及单电流采样示意图

　　从上图中我们可以看出，一个SVPWM周期可以划分成七个小的时间段（此即七段法名称的由来），不同的时间段对应不同的开关管控制电压，不同的控制电压造成了逆变电路*率开关管不同的通断状态，而不同的通断状态则对应着不同的电流流向，因此只要我们知道了当前的电流流向状态，就可以从两次不同时间的采样电流（分别对应若干电流之和）中提取出需要的电流。以第0扇区为例（如图2右侧所示），在第一次电流采样中得到了Iu，第二次得到了(Iu+Iv)，由于在很短的时间内，电流不会发生突变，这样就可以根据(Iu+Iv+Iw=0)推算出三相电流，完成了单电流采样(One-shunt current detection)。

　　这一算法简洁明了，但也存在着一定的问题：第一，在采样的过程中往往会引入较多的噪声，需要进行滤波；第二，存在扇区边界切换问题，我们从图2中可以看出，在旋转矢量跨越边界的时候，由于某一基本矢量作用时间太短会导致采样无法完成，这个时候，可以通过限制作用时间最小值来保证采样过程正常进行，但这样必然会使生成的正弦波发生畸变，我们通过简单的滤波（例如限制两次电流采样值的差异幅值，根据历史值修正新值等）去掉畸变点，可以实现很好的效果。

　　实际采样以及滤波处理结果如下（图3），从图中可以看出通过滤波达到了很好的电流检测效果，完全可以满足进一步的控制需求。

　　图3单电流采样电流结果(未滤波与滤波后的比较)

4无位置、速度传感器下电机控制方法详述

　　这里将从电机的初始化启动、正常运转和调速三个方面叙述电机控制的全过程，并给出电机控制算法的流程图，让读者更能够从整体上了解这一控制方法。

　　启动过程：由于整个系统没有传感器以获得电机的实际位置，如果从任意位置启动，可能会造成电机反转甚至启动完全失败，因此需要对电机转子位置进行初始化，即把后面控制算法中涉及到的转子角度的初始值清零。我们采用的初始化方法是生成一个固定的PWM脉冲序列，该序列的特点是只作用于在某一相，最后将电机锁定于某一磁极，达到了初始化的目的。

　　正常运转：目前我们采用TI公司的TMS320LF2407A作为控制的DSP，该DSP本身具备PWM 控制寄存器，通过较简单的程序就能完成前面所述的七段法SVPWM波的输出。