基于TMS320F240的无位置传感器无刷直流电机控制系统.docVIP

基于TMS320F240的无位置传感器无刷直流电机控制系统 作者: 黄 钦(0400120411),李杰孙(0400120413),唐运僧(0400120424), 杨 溪(0400120428),张严峰(0400120430) 摘要:本文介绍一种基于DSP的无位置传感器无刷直流电机控制系统，采用无刷直流电机的端电压过零检测方法提取转子位置信号。利用DSP快速运算的优越性来处理反电动势的干扰信号，采用预定位的起动方法并进行了详细分析。构建了电流速度双闭环系统，简述了实现该控制系统的软件和硬件设计方案及控制策略。 关键词:无刷直流电机,无位置传感器,控制系统,DSP 引言 传统的无刷直流电机获取转子位置信息的方法是采用电子式或机电式位置传感器直接测量，如霍尔效应器件(HED)、光学编码器、旋转变压器等。然而，有些传感器的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如震动，潮湿和温度变化都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性和精确性难以得到保证。传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计带来一定困难。在精确的位置伺服系统中由于空间有限，没有安装传感器的余地。因此，在小型、轻载条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择并具有广泛的发展前景。在无位置传感器无刷直流电机控制系统中，转子的位置判断和初始起动是两项关键技术。本文采用美国TI公司TMS320F240数字信号处理器(DSP)实现控制，它集信号高速处理能力、优化的外围电路于一体，适用于电机控制，可以为高性能传动控制提供可靠、高效的信号处理与控制硬件。 一．TMS320F的结构及主要功能 TMS320F240结构图如图1。TI公司的16位定点处理器TMS320F240是经过优化专为电机控制开发的，该芯片包括1个20MIPS的处理器，2个10位的A/D转换器，1个特别用来做控制的事件管理器。采用哈佛结构的双总线形式，TMS320F240可以在1个周期内同时取指令和操作数，使DSP的速度提高到us(微秒级的微处理器)的2倍以上。 归纳起来它具有以下特点: 1) 运算速度快，指令周期为50ns; 2) 32位中央处理单元，16位定点运算; 3) 指令丰富，具有单周期循环指令，单周期乘功口指令和快速FFT变换寻址能力; 4) 程序控制采用四级流水作业，具有6个外部中断源和八级硬件堆栈; 5) 544字x16位片内RAM,16Kx16位片内FLASH EEPROM, 224K字x16位最大可寻址存储空间; 6) 双10位A/D转换器，总的转换时间小于10ns; 7) 事件管理器中具有12路比较式PWM发生单元，3个16位通用定时/计数器，4个捕获单元; 8) 内置锁相环时钟单元和看门狗实时中断模块; 9) 具有穿行通讯接口和串行外设接口; 10) 28个可编程复用1/O口。 高速的DSP主要用在电机无传感器控制和磁场定向控制中，因为在无传感器控制中需要用已知的电流和电压实时计算速度和位置，而在电机磁场定向控制中，需要把所有的变量以矢量形式转化到与定子旋转磁场同步的坐标系中，这些都需要进行大量的运算，高速的DSP可以实时完成这些工作。 二．无位置传感器无刷直流电机的控制策略 2.1 转子的位置检测 无刷直流电机的位置检测方法主要有以下几种:端电压积分法、电压过零检测法、基于开路相二极管开关状态的位置检测、电流检测法、三次谐波电压检测法等。 本文中采用的是端电压过零检测法。利用反电势瞬时过零时，开路相的端电压等于三相的中点电压，从而检测出一位置特征点并经过30度延迟后作为一开关信号。该方法对电机稳态工作较为简单适用，但要进行深度滤波。由于模拟低通滤波器会导致相移和转子位置信号不准确，从而导致电机产生较大的转速脉动，难以达到理想的调速性能。本文采用DSP控制无需进行深度滤波，只需滤去高次谐波，30度延迟由程序产生而不是由滤波电路产生，因此可以克服以上的缺点。 图2所示为无刷直流电机三相桥式拓扑主电路原理图。 无刷直流电机电枢绕组中的激磁电势为梯形波，其平顶为120度的电角度。转子的位置信息可由检测断路相反电势信号得到。为保证一相断路，系统采用二二导通、三相6状态的PWM调制方式。逆变器每相输出的电流为120度的矩形波，因此合理控制逆变器的触发顺序，才能使相电流和激磁电势的相位保持同步。如下图电机转矩脉动最小，且特性和一般的直流电机相类似，此时无刷直流电机处于最佳的换相逻辑，图3为口相电流和反电势波形。 2.2 无位置传感器无刷直流电机的起动 无位置传感器无刷直流电机一般利用检测电枢绕组中的反电势作为转子的位置信号，但电机不转时无法检测到反电势信号，电机无法运行。无刷直流电机的起动有以下两种方法:外同步方式起动和预定位方式起动。无刷直流电机的外同步驱动方式需要人为地给电机施加一由低频