直流无刷电机转速控制电路设计 (5)

中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 1 页 共 41 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 一个多世纪以来 电机作为电能量转换装置 其应用范围已遍及国民经济的各个 领域以及人们的日常生活中 电机的主要类型有同步电机 异步电机与直流电机三种 直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点 因此被广泛应用于各种调速系统 中 但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相 存在相对的机械摩擦 因此 带来噪声 火花 无线电干扰及寿命等致命弱点 从而大大地限制了它的应用范围 而相比有刷直流电机 无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机 的电刷 故其既具有有刷直流电机运行效率高 运行性能好等优点 又具有交流电机 运行结构简单 运行可靠 维护方便等优点 目前 随着半导体技术的快速进步与永 磁材料的新发现 高性能 低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量 它具有巨大的开发潜质和广阔的应用前景 1 21 2 无刷直流电机的研究历史及现状无刷直流电机的研究历史及现状 永磁无刷直流电机是一种电子电动机 随着电力电子技术的发展 许多新型的高 性能半导体功率器件 如GTR MOSFET IGBT等相继出现以及高性能永磁材料 如稀土 永磁材料的问世 为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础 它由直流电源经过逆变 器 位置检测装置向电动机供电 因而既保持了直流电机的优良特性 又改善了有刷 直流电机效率低 耗电多 噪音大 维护困难 使用寿命短等运行状况 电机系统属 环保节能型产品 是国家产业政策支持的高新技术项目 正处在产品成长期 具有广 阔的市场前景 无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展 国外在无刷直流电动机发展的前期 主要致力于将更加先进的电力电子器件和材 料应用于无刷直流电动机以提高它的性能 但无刷直流电动机在低速运行时的转矩波 动过大 这是采用优良的电动机设计和先进的器件所无法从根本上取得突破的瓶颈 在八十年代以后 随着磁性材料 电力电子器件和专用控制器的迅速发展 明显改善 了无刷直流电动机特性的同时 人们又把对无刷直流电动机研究的目光转移到电子换 向 稀土永磁材料以及智能控制三个方面 试图来抑制无刷直流电动机的转矩波动 我国无刷直流电动机的研制工作开始于七十年代初期 主要是为我国自行研制的 军事装置和宇航技术发展而配套 由于数量少 由某些科研单位试制就能满足要求 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 2 页 共 41 页 经过二十多年的发展 虽然在新产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距 但由于 无刷直流电动机是集电动机 微电子 电力电子 控制 计算机等技术于一身的高科 技产品 受到我国基础工业落后的制约 因此无论产量 质量 品种及应用于国际先 进水平有着较大的差距 目前国内的研制单位虽不少 但形成一定批量的单位却屈指 可数 而且其中绝大部分属于低档的无刷电机 产品的市场竞争力不强 1 31 3 无刷直流电动机的发展历程无刷直流电动机的发展历程 1831年 法拉第发现了电磁感应现象 奠定了现代电机的基本理论基础 从19世 纪40年代研制成功第一台直流电机 经过大约17年的时间 直流电机技术才趋于成熟 随着应用领域的扩大 对直流电机的要求也就越来越高 有接触的机械换向装置限制 了有刷直流电机在许多场合中的应用 为了取代有刷直流电机的电刷 换向器结构的 机械接触装置 人们曾对此作过长期的探索 1915年 美国人 Langnall 发明了带控制 栅极的汞弧整流器 制成了由直流变交流的逆变装置 20世纪30年代 有人提出用离 子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机 但此种电机由于可靠 性差 效率低 整个装置笨重又复杂而无实用价值 科学技术的迅猛发展 带来了电力半导体技术的飞跃 开关型晶体管的研制成功 为创造新型直流电机 无刷直流电机带来了生机 1955年 美国人 Harrison 首次提 出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想 这就是无刷直流电机的雏形 它由 功率放大部分 信号检测部分 磁极体和晶体管开关电路等组成 其工作原理是当转 子旋转时 在信号绕组中感应出周期性的信号电动势 此信号电动势分别使晶体管轮 流导通实现换相 问题在于 首先 当转子不转时 信号绕组内不能产生感应电动势 晶体管无偏置 功率绕组也就无法馈电 所以这种无刷直流电机没有起动转矩 其次 由于信号电动势的前沿陡度不大 晶体管的功耗大 为了克服这些弊病 人们采用了 离心装置的换向器 或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动 但 前者结构复杂 而后者需要附加的起动脉冲 其后 经过反复的试验和不断的实践 人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置 从而为直流电机的发展开辟了新的途径 20世纪60年代初期 接近开关式位置传感器 电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世 之后又出现了磁电耦合式 和光电式位置传感器 半导体技术的飞速发展 使人们对1879年美国人霍尔发现的霍 尔效应再次发生兴趣 经过多年的努力 终于在1962年试制成功了借助霍尔元件 霍 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 3 页 共 41 页 尔效应转子位置传感器 来实现换相的无刷直流电机 在20世纪70年代初期 又试制 成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机 在试制各种类型的位置传感器的同时 人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的 无刷直流电机 1968年 德国人 W Mieslinger 提出采用电容移相实现换相的新方法 在此基础上 德国人 R Hanitsch 试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组 合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 4 页 共 41 页 2 无刷直流电机的结构和工作原理 永磁无刷直流电动机 Brushless DC Motor BLDC 是一种典型的机电一体化产品 它是由电动机本体 逆变器 位置检测器和控制器组成的自同步电动机系统 其结构 原理图如图 2 1 所示 位置检测器检测转子位置信号 控制器对转子位置信号进行逻 辑处理并产生相应的开关信号 开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件 将电源功率以一定的逻辑关系分配给定子各相绕组 使电动机产生持续不断的转矩 Us逆变器 控制器 位置检测器 永磁无刷 直流电动机 图 2 1 结构原理图 2 12 1 无刷直流电机的结构无刷直流电机的结构 众所周知 有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场 因此有刷直流电机必须 有一个滑动的接触结构 电刷和换向器 通过它们把电流反馈给旋转着的电枢 无 刷直流电机却与有刷直流电机相反 它具有旋转的磁场和固定的电枢 这样 电子换 向线路中的功率开关器件 如晶闸管 晶体管 功率 MOSFET 或 IGBT 绝缘栅双极型晶 体管 等可直接与点数绕组链接 在电机内 装有一个转子位置传感器 用来检测转 子在运行过程中的位置 它与电子换相线路一起 替代了有刷直流电机的机械换向装 置 综上所述 无刷直流电机有电机本体 转子位置传感器和电子换相线路三大部分 组成 如图2 2所示 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 5 页 共 41 页 图 2 2 无刷直流电机组成框图 2 1 1 电机本体 永磁无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机 只不过将直流 电动机的定 转子位置进行了互换 其转子为永磁结构 产生气隙磁通 定子为电枢 有多相对称绕组 原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代 替 所以永磁无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机 定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同 铁心中嵌有多相对称绕组 三相 最为常见 绕组可以结成星形或三角形 并分别与逆变器中的各开关管相连 永磁无刷直流电动机的转子利用永磁体形成主磁极 常见的转子结构有两种形式 如图 2 3 所示 面贴式结构是在铁心外面粘贴上瓦片形永磁体 具有结构简单制造成 本低的特点 但在高速时永磁体易被离心力甩出 所以多用于低速电机 具有这种转 子的电机称为面贴式电机 Surface mounted Permanent Magnet Machine SMPM 内埋 式结构是将永磁体嵌入铁心里面 能有效避免永磁体失磁 电机气隙较小 多用于对 电机动态特性要求较高的场合 具有这种转子的电机称为内埋式电机 Interior Permanent Magnet Machine IPM 由于稀土永磁的磁导率接近于 1 与气隙相当 所 以虽然面贴式电机在几何结构上呈现为凸极 但在电气特性上却属于隐极电机 内埋 直 流 无 刷 电 动 机 电动机本体 位置传感器 电子开关线路 路 主定子 主转子 传感器转子 传感器定子 功率逻辑开关 位置信号处理 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 6 页 共 41 页 式电机几何结构为隐极 电气特性上属于凸极电机 这一点与普通电机是不相同的 铁心 永磁体 面贴式内埋式 图 2 3 永磁无刷直流电动机转子结构型式 除了上述基本结构外 还有一种外转子式结构 即带有永磁极的转子在外面 嵌 有绕组的定子在里面 电机运行时 外转子旋转 这种结构主要用于电动车的驱动 2 1 2 逆变器 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电 与一般逆变器不同 永磁无刷直流电 动机的逆变器的输出频率不是独立调节的 而是受控于转子位置信号 是一个 自控 式逆变器 由于采用自控式逆变器 永磁无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速 始终保持同步 不会产生振荡和失步 这也是永磁无刷直流电动机的重要优点之一 逆变器主电路有桥式和非桥式两种 而电枢绕组既可以结成星形也可以结成角形 封闭形 因此电枢绕组与逆变器主电路的连接有多种不同的组合 图 2 4 给出了几 种常用的连接方式 其中 图 a 和图 b 是非桥式主电路 电枢绕组只允许单方向通 电 属于半控型主电路 其余为桥式主电路 电枢绕组允许双向通电 属于全控型主 电路 目前 星形连接三相桥式主电路应用最多 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 7 页 共 41 页 图 2 4 永磁无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的连接 逆变器功率开关一般采用 IGBT 或功率 MOSFET 等全控型器件 IGBT 具有较低 的导通压降 而 MOSFET 具有更快的开关频率 有些主电路已有集成的功率模块 PIC 和智能功率模块 IPM 选用这些模块可以提高系统的可靠性 2 1 3 位置检测器 位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号 为逆变器提供正 确的换相信息 位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两种方式 转子位置传感器也由定子和转子两部分组成 其转子与电机本体同轴 以跟踪电 机本体转子磁极的位置 定子固定在电机本体定子或端盖上 以检测和输出转子位置 信号 转子位置传感器的种类包括磁敏式 电磁式 光电式 接近开关式 旋转变压 器式以及编码器等 无位置传感器位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的的物理量间接地获得 转子位置 主要有反电势法 这也是本文所要采用的方法 2 1 4 控制器 控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各种伺服功能的指挥中心 它主要 完成以下功能 1 对转子位置检测器输出的信号 PWM 调制信号以及其他控制信号进行逻辑综合 为驱动电路提供开关信号 实现电机的正常运行 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 8 页 共 41 页 2 对电机进行闭环调节 使系统具有较好的动静态性能 3 实现短路 过流 过电压和欠电压等故障保护功能 2 22 2 无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电动机的基本工作原理 永磁无刷直流电机最常用的主电路为星形连接三相桥式主电路 图 2 4 c 这 种电路主要有两种导通方式 二二导通方式和三三导通方式 二二导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通 每隔 1 6 周期 60 电角度 换 相一次 每次换相一个功率管 桥臂之间左右互换 每个功率管导通 120 电角度 三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通 同样每隔 60 电角度换相一 次 每次换相一个功率管 但换相发生在同一桥臂上下管之间 因而每个功率管导通 180 电角度 相比较之下 二二导通方式电机出力大 转矩特性较好 且不会发生开关管直通 短路的现象 因此最为常用 其工作原理如图 2 5 所示 图 2 5 永磁无刷直流电动机工作原理示意图 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 9 页 共 41 页 当转子旋转到图 2 5 1 所示的位置时 位置检测装置输出的转子位置信号经过控 制电路逻辑变换后驱动逆变器 使功率开关 VT1 VT6 导通 A B 两相绕组通电 电流 从电源的正极流出 经 VT1A 相绕组 再从 B 相绕组流出 经 VT6 回到电源的负极 电 枢绕组在空间产生的磁动势 Fa 如图 2 5 1 所示 此时定转子磁场相互作用 使电机的 转子顺时针转动 当转子在空间转过 60 电角度 到达图 2 5 2 所示位置时 位置检测器输出的位 置信号使 VT1 VT2 导通 A C 两相绕组通电 电流从电源的正极流出 经 VT1 流入 A 相绕组 再从 C 相绕组流出 经 VT2 回到电源的负极 电枢绕组在空间产生的磁动势 Fa 如图 2 5 2 所示 此时定转子磁场相互作用 转矩方向不变 使电机的转子继续顺 时针转动 转子在空间每转过 60 电角度 逆变器开关就发生一次切换 功率开关的导通逻 辑为 VT1 VT6 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 VT1 VT6 在此期间 转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用 沿顺时针方向连续旋转 在图 2 5 1 到图 2 5 2 的 60 电角度范围内 转子磁场沿顺时针连续旋转 而定 子合成磁场在空间保持静止 只有当转子转过 60 电角度到达图 2 5 2 所示位置时 定子合成磁场才从图 2 5 1 的 Fa 位置跳跃到图 2 5 2 的 Fa 位置 可见 定子合成磁 场在空间不是连续旋转的 而是一种跳跃式的旋转磁场 每个步进角是 60 电角度 转子在空间每转过 60 电角度 定子绕组就进行一次换流 定子合成磁场的状态就发 生一次跃变 可见 电机有六种磁状态 每一状态有两相导通 每相绕组导通的时间 对应着转子旋转 120 电角度 永磁无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形 三相六状态 这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式 从永磁无刷直流电动机的工作原理可知 转子位置的正确测量对电动机的正常运 行起着十分重要的作用 这与一般的永磁同步电动机是不相同的 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 10 页 共 41 页 3 3 无刷直流电机无位置传感器控制无刷直流电机无位置传感器控制 3 13 1 BLDCBLDC 无位置传感器控制问题的提出无位置传感器控制问题的提出 无位置传感器 BLDCM 减少了位置传感器 因而电机结构简单 体积小 可靠性高 当电机体积较小 位置传感器难以安装或工作环境恶劣以至于位置传感器无法正常工 作时 无位置传感器 BLDCM 就更加显示其独特的优越性 有位置传感器无刷直流电机的定子绕组的换流时刻是由位置传感器的信号决定的 而无位置传感器无刷直流电机主要是依靠电机的电压和电流信息间接的获得转子磁极 的位置信号 进而控制绕组的换流顺序和时刻 目前 比较常用的无位置传感器位置 检测方法有 5 种 1 反电动势法 2 定子三次谐波检测法 3 续流二极管工作状态检测法 4 瞬时电压方程法 5 状态观察法 本文系统采用的是最常用的传统的反电动势法 3 23 2 反电势法反电势法 目前 反电动势过零点法 16 26 是技术是应用最广泛 最成熟的转子位置检测方法 适用于三相六状态 绕组星型联结 120 两两通电方式 其原理为 在无刷直流电机 稳态运行时 忽略电机电枢反应的前提下 通过检测关断相反电动势的过零点来获得 永磁转子的关键位置信号 从而控制绕组电流的切换 掌握反电势检测法首先要明确以下两点 1 反电动势检测的基础是由于 BLDC 电机采用两相导通模式 因此不导通的第三 相就可以来检测反电动势的大小 如下图 3 1 所示 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 11 页 共 41 页 3090150210270330 A三 B三 C三 三三三 图 3 1 三相输出电压 2 为了检测反电势 必须满足以下两个条件 处于对角线上的两个桥臂上的功率开关 一个上管 一个下管 都被同一个 PWM 信号驱动 另外一个用于检测反电动势的桥臂没有电流流过 反电势法是目前最成熟的转子位置无传感器检测方法 其原理是通过探测定子绕 组中的反电势来实现转子位置的离散检测 以保证换向的正确进行 具体可以分为如 下几种 1 反电势过零检测法 这种方法是通过检测定子绕组未导通相的反电势过零点来确定转子的位置 以便 发出相应的切换信号 主电路为三相桥式全控星形连接的无刷直流电动机的等效电路 如图 3 2 所示 在二二导通方式下 各导通管脚 绕组电流及反电势波形如图 3 3 所 示 在图 3 3 中我们看到 功率管的切换发生在反电势过零后延迟 30 的地方 因此 只要检测出了反电势过零点 就能正确进行功率管的切换 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 12 页 共 41 页 L L LR R R a U b U c U a i b i c i a e b e c e N U 图 3 2 永磁无刷直流电动机等效电路 6 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 Ic Ia Ib Ea Eb Ec 三三三 图 3 3 永磁无刷直流电动机电流 反电势波形及开关管导通顺序 2 反电势直接换向点检测法 这种方法是利用反电势信号直接检测换向点 而无需考虑延时问题 具体又分为 1 反电势积分法 GE 公司的 D Erdam 首先提出这种方法 其思路是在反电势过零后对其绝对值积分 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 13 页 共 41 页 当积分值达到预先设定的门限值时 发出切换信号 为防止斩波噪声对积分的干扰 采用了特殊的 PWM 调制法 在功率管导通的前半周进行 PWM 调制 后半周一直导通 从而有效避免了 PWM 脉冲队过零点的干扰 不过 门限值的确定比较困难 2 反电势三次谐波积分法 由图 3 3 可知 在二二导通方式下 BLDC 三相反电势之和的波形如图 3 4 中的实 线所示 将其滤波后得到一个三次谐波 三次谐波的积分波形如图 3 4 中的虚线所示 对照图 3 3 可知 开关管的切换就发生在该波形的每一个过零点处 因此 这种方法 在算法上相对简单一些 e 图 3 4 BLDC 三相反电势之和及其基波之积分波形 实线 BLDC 三相反电势之和 虚线 三相反电势之和的基波的积分 3 续流二极管监测法 此方法通过监测反并联于逆变器的六个二极管的导通和截止情况来判断转子位置 对于关断相绕组来说 其续流二极管的电流 主要由反电势产生 电感较小 所以二 极管的熄灭点对应着反电势的过零点 这种方法较少受到 PWM 脉冲的影响 因而精度 较高 日本学者通过这种方法在很低的转速下获得了转子位置信息 实际应用中 由于受 PWM 调制的影响 反电势过零点往往不是很明确 必须经深 度滤波将 PWM 脉冲的影响滤除以后才能得到有用信号 从而产生相移 使位置检测不 准确 必须进行补偿 另外 如何精确延时 30 也是一个问题 尤其是在变速运行的 时候 反电动势过零点检测法的缺点是静止或低速时反电动势信号为零或很小 难以得 到有效的转子位置信号 系统低速性能较差 需要开环方法起动此外为消除调制引起 的高频干扰而对反电动势信号进行深度滤波 这带来了与速度有关的相移 为保证正 确的电流换相要对此相移进行补偿 因此 国内外研究人士纷纷就其相位滞后 换相 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 14 页 共 41 页 转矩脉动 忽略电枢反应造成的误差等问题做了深入研究 无刷直流电机中 受定子绕组产生的合成磁场的作用 转子沿着一定的方向转动 电机定子上放有电枢绕组 因此 转子一旦旋转 就会在空间形成导体切割磁力线的 情况 根据电磁感应定律可知 导体切割磁力线会在导体中产生感应电热 所以 在 转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势 即运动电势 一般称为反电动势或 反电势 对于采用三相六状态 绕组星型接法 120 两两导通方式的无刷直流电机而 言 三相绕组在任意时刻总有一相处于断开状态 检测断开相的反电势信号 当其过 零点时 转子直轴与该相绕组重合 再延迟 30 即为无刷直流电动机的换相点 在本文中 采用的就是第一种方法 反电动势过零点检测法 3 33 3 BLDCBLDC 反电势过零点检测方法反电势过零点检测方法 通常 对于无刷直流电机来说 有三种 PWM 调制方式 1 一种较为常见 是高压 侧功率管 PWM 调制方式 而低压侧功率管常导通 一种是低压侧功率管 PWM 调制方式 高压侧功率管常导通 还有一种是高 低压侧功率管同时采用 PWM 调制的方式 本文中采用的是 PWM 调制第一种方式 采用高压侧功率管调制方式 而低压侧只 是在电机换相时导通或关断 不导通相得反电动势可以在 PWM 高电平和相电流续流阶 段中被检测出来 在任意时刻 一相绕组连接于高压侧 PWM 调制的功率管 另一相连 接于低压侧常开通的功率管 剩下的一相没有电流通过 其端电压用于检测出反电动 势 如图 3 5 所示 A 相和 B 相两相导通 C 相不导通 假设某一个换相阶段 电机处 于 A 相和 B 相导通 C 相为不导通状态 如图 3 5 所示 在一个 PWM 调制周期中 当 PWM 信号为低电平相电流处于续流状态时 高压侧功率管 SW1 关断 相电流经由功率管 中集成的续流二极管 VD1 在 A 相和 B 相绕组中续流 在这个续流阶段中 不导通相端 电压同样可以检测出反电动势的过零点 具体如下 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 15 页 共 41 页 Ea Eb Ec L L L R R R VD1 VD2 SW1 SW2 VDC GND Ia Ib Vc Vb Vc 图 3 5 BLDC 运行时三相端电压电路 对于 A 相绕组有 0 di VnriLEa dt 3 3 对于 B 相绕组有 di VnriLEb dt 3 4 将 式 3 3 和式 3 4 相加有 2 EaEb Vn 3 5 根据无刷直流电机三相绕组对称的关系 有 3 6 0EaEbEc 根据式 3 5 和式 3 6 有 3 7 2 Ec Vn 因此 在永磁无刷直流电机相电流处于续流状态时 有 3 8 3 2 Ec Vc 从式 3 3 到 3 8 可知 当相电流在功率管的集成二极管中续流时 不导通相得 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 16 页 共 41 页 端电压直接和反电动势成正比 而此时由于不存在功率管的开关状态 因此不会有大 量的开关噪声 将此时的端电压和固定的参考电压进行比较 可以精确地得到不导通 相反电动势的过零点 在过零点时刻延时 30 电角度 即是无刷直流电机的换相点 电机的反电动势检测出来以后 可以找到反电动势的过零点 在反电动势过零处进行 是的适当地换相操作 可以完成 BLDC 电机的连续运行 如图 3 6 所示 和常用的无位 置传感器控制方法相比 这种方法有较高的灵敏度 由于不用对端电压分压检测 因 此所检测的端电压不会有衰减 尤其在无刷直流电机低速阶段 拥有很高的检测精度 因此拓宽了这种方法的转速适用范围 也加快了电机开环启动的过程 另外 由于不 导通相的反电动势 在 PWM 关断状态时被检测 因此能够避免高频的 PWM 开关噪声 这种同步的检测方法能够很方便地去除开关噪声带来的过零点精度问题 由于不需要 低通滤波 因此不会带来所检测到的反电动势过零点发生过大的偏移 最后 便于在 数字控制系统的基础上进行方法实现 060120180240300360 PWM0 PWM2 PWM4 PWM1 PWM3 PWM5 Phase A Phase B Phase C 三三三 三三三三 图 3 6 反电动势波形与 BLDC 的换相 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 17 页 共 41 页 4 4 硬件系统的实现硬件系统的实现 图 4 1 所示为所设计的无位置传感器控制系统总体结构 其中 经限幅电路输出 的三个反电动势信号经过过零比较器 输入到控制器中 由控制器判断出过零点 进 过 DSP 内部控制算法后输出 6 路 PWM 信号给三相逆变桥 对无刷直流电机进行换相和 调速 从而可以进行相应的换相控制 D1 D2 D3 D4 D5 D6 三三三三 Q1 IGBT Q2 IGBT Q3 IGBT Q4 IGBT Q5 IGBT Q6 IGBT BLDC 三三三三三三 三三三三三三 三三三 三三三三 三三三三三三 三三三三 三三三三 三 三 三 三 三 三 图 4 1 无位置传感器控制系统框图 4 14 1 TMS320F2812TMS320F2812 DSPDSP 系统系统与应用与应用 数字控制器采用 DSP 芯片作为主控制器 硬件上由 CPU 存储器 数字 I O 口 PWM 模块和 A D 模块组成 PWM 模块产生 6 路 PWM 信号用于永磁无刷直流电机的换相 数字 I O 口还有 3 路信号的输入 是反电动势检测信号 转速计算模块根据换相检测 信号计算出转速的数值 速度控制模块根据调速要求计算输出 PWM 的占空比 换相控 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 18 页 共 41 页 制模块根据换相信号的电平跳变 进行相应的换相 为了实现上述功能 采用了专用的控制芯片 TI 公司的 TMS320F2812 DSP 作为 控制器 TMS320F2812 DSP 给设计者提供了整套的片上系统 主频高达 150MHz 片内具 有高达 128K 字的编程 FLASH 集成了 PWM 发生模块 带有 CAP 捕获模块的事件管理器 EV 模块 32 位定时器 12 位 AD 采样模块 多个复用输入输出可自定义的 I O 端 口 TMS320F2812 DSP 事件管理器模块为用户提供了许多的功能与特点 包括通用 GP 定时器 全比较 PWM 单元 捕获单元和正交编码脉冲 QEP 电路等 这些功能 对无位置传感器控制系统都有及其重要的作用 其功能特点如表 4 1 所示 各个功能部分说明如下 1 通用 GP 定时器 事件管理器各有两组 GP 定时器 GP 定时器 x x 1 或 2 对 应 EVA x 3 或 4 对应 EVB 包括 A 1 个 16 位定时器 TXCNT 为增 减计数器 可以读 写 B 1 个 16 位定时器比较寄存器 TxCMPR 带影子的双缓冲寄存器 可以读 写 C 1 个 16 位定时器周期寄存器 TxPR 带影子的双缓冲寄存器 可以读 写 D 1 个 16 位定时器控制寄存器 TXCON 可以读 写 E 可选择的内部或外部输入时钟 F 一个对于内部或外部输入时钟可编程的预定标因子 G 控制和中断逻辑 用于 4 种可屏蔽中断 定时器周期中断 定时器比较中断 上溢中断和下溢中断 H 一个输入方向选择引脚 TDIRx 当选择为定向增 减计数模式后 进行增计数 或减计数 GP 定时器可以单独操作 也可以与其他定时器同步操作 每个 GP 定时器所具有的 比较寄存器可以用作比较功能和 PWM 波形的产生 对于每一个 GP 定时器 在增或增 减计 数模式下都有 3 种连续操作模式 通过预定标因子 每个 GP 定时器可以使用内部或外 部时钟 GP 定时器可以为事件管理器的其他子模块提供时基 GP 定时器 1 可以为所有 的比较和 PWM 电路提供时基电路 而 GP 定时器 1 和 GP 定时器 2 都可以为捕获电路和 正交 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 19 页 共 41 页 表 4 1 DSP 事件管理器模块功能表 EVA 模块EVA 信号EVB 模块EVB 信号 定时器 1 T1PWM T1CMP 定时器 3 T3PWM T3CMP 通用 GP 定时器定时器 2 T2PWM T2CMP 定时器 4 T4PWM T4CMP 比较器 1 PWM1 PWM2 比较器 4 PWM7 PWM8 比较器 2 PWM3 PWM4 比较器 5 PWM9 PWM10 比较单元 比较器 3 PWM5 PWM6 比较器 6 PWM11 PWM12 捕获器 1 CAP1 捕获器 4 CAP4 捕获器 2 CAP2 捕获器 5 CAP5 捕获单元 捕获器 3 CAP3 捕获器 6 CAP6 QEP1QEP3 QEP2QEP4 正交编码 脉冲电路 QEP QEP11 QEP QEP12 计数方向 TDIRA 计数方向 TDIRB 外部定时 器输入外部时钟 TCLKINA 外部时钟 TCLKINB C1TRIPC4TRIP C2TRIPC5TRIP 外部 比较 输入 比较 输入 端口 C3TRIP 比较 输入 端口 C6TRIP T1CTRIP PDPINTAT3CTRIP PDPINTB 外部定时器 比较输入 T1CTRIPT4CTRIP 外部功率 保护输入 功率驱 动保护 T1CTRIP PDPINTA 功率驱 动保护 T3CTRIP PDPINTB 外部 ADC SOC 触发 EVASOCEVBSOC 脉冲计数操作提供时基 双缓冲的周期和比较寄存器通过可编程的变化定时器 PWM 的周期 可以得到比较 PWM 脉冲的期望占空比 2 全比较单元 每个事件管理器有 3 个比较单元 当该比较单元使用定时器 1 为 其通提供时钟基准时 通过使用可编程的死区电路产生 6 个比较输出或 PWM 波形输出 而 6 个输出中的任何一个输出状态都可以单独设置 比较单元中的比较寄存器是双缓 冲的 允许可编程地变换比较 PWM 脉冲的占空比 EV 事件管理器模块中具有全比较单 元 可以输出 PWM 信号 比较单元都能产生相关的 PWM 输出 它是一个比较匹配信号 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 20 页 共 41 页 比较单元的时基有 通用定时器提供 此项功能用于产生对无刷直流电机进行调制的 PWM 信号 而 PWM 信号的占空比和 周期有比较寄存器和周期寄存器来决定 并根据控制寄存器输出所要求的 PWM 波形 3 可编程的死区发生器 死区发生器电路包括 3 个 8 位计数器和 8 位比较寄存器 它们可以将需要的死区幅值通过编程写入比较寄存器 以便 3 个比较单元的输出 通 过每个比较单元的输出 可以单独时能或禁止死去的产生 死区发生器的电路可以为 每个比较寄存器的输出信号产生 2 个输出 带有或不带有死区地带 通过双缓冲 ACTRx 寄存器 可以根据需要设置或更改死区发生器的输出状态 4 PWM 波形的产生 每个事件管理器在同一时刻产生多达 8 个 PWM 的波形输出 通过带有可编程死区的 3 个全比较单元可单独产生 3 对 6 路 输出 通过 GP 定时器 的比较功能可产生 2 个单独的 PWM TMS320F2812 DSP 中的事件管理器模块 EV 中有特定功能的外设寄存器 包括定时 器寄存器 用于产生 PWM 波形的全比较单元寄存器 以及捕获单元寄存器 通过对这 些寄存器的设置和读取 可以控制 DSP 的工作状态以及输入和输出功能 EV 模块可以 产生中断请求 当外设中断请求信号被 CPU 接受时 进入相应的中断服务子程序 ISR 以执行相应的中断操作 5 捕获单元 捕获单元为用户提供了对不同事件和变化进行记录的功能 当捕获 输入引脚 CAN x 1 2 或 3 属于 EVA x 4 5 或 6 属于 EVB 检测到变化时 它会将捕 获到的所选择的 GP 定时器的当前计数值 并把该计数值存储在两级深度的 FIFO 堆栈 中 捕获单元由 3 个捕获电路组成 捕获单元的特点如下 A 1 个 16 位的捕获控制寄存器 CAPCONx 读写 B 1 个 16 位的捕获 FIFO 状态寄存器 CAPFIFOx C 可以选择 GP 定时器 1 2 为 EVA 或 GP 定时器 3 4 为 EVB 作为时基 D 3 个 16 位的两级深度 FIFO 堆栈 为每个捕获单元配备 1 个 E 6 个捕获输入引脚 CAP1 2 3 为 EVA 所用 CAP 4 5 6 为 EVB 所用 而每个捕获 单元都有 1 个捕获引脚 所有捕获引脚的输入都与器件的 CPU 时钟同步 为了能正确 地捕获到引脚的变化 输入引脚的信号电平须保持两个时钟的上升沿 其中 输入引 脚的 CAP 1 2 和 CAP 4 5 也可以作为正交编码脉冲电路的输入引脚 F 用户可指定诊测变化的方式 上升沿 下降沿或两个边沿 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 21 页 共 41 页 G 3 个可屏蔽中断标志 每个捕获单元各具有 1 个 DSP 的性能和速度完全可以保证对反电动势零点的检测与对 BLDC 的控制 将无位 置检测所产生的过零点信号进过光电隔离电路输入个 DSP 的 CAP 捕获端口 以使 DSP 对过零信号跳变沿进行相应 以进入 DSP 的捕获中断进行换相 当 CAP 输入引脚上的 信号发生跳变时 根据使用 CAP 模块所采用的定时器所运行的数值会被捕获进入存储 器中 此捕获值可以作为换相时间的参考 与此同时 相应的中断标志位被置位 于 是过零点比较信号可以作为产生一个中断请求 DSP 的这个功能实现了对过零点比较信 号的检测 6 数模转换模块 DSP 的模数转换模块 ADC 包括带内置采样保持的 12 位 AD 转 换模块 多达 16 个的模块输入可切换通道 DSP 内部具有 AD 采样排序寄存器 能够决 定模拟通道转换的顺序 并能够将采样得到的值存放在 AD 采样结果寄存器中 在程序 操作时可以实时地将采样值读出 灵活的中断控制允许在不同的 AD 操作阶段产生中断 请求 7 数字复用 I O 口 DSP 可以根据当前的位置信号状态输出 6 路 PWM 信号 进过 隔离放大可作用在功率管逆变桥上 对无刷直流电机进行驱动 另外 DSP2812 具有大 量的通用 双向的数字 I O GPIO 可通过修改 DSP 内部的 I O 配置寄存器将具有基 本功能的端口复用成为数字 I O 端口 以作为无位置传感器检测电路的触发 使能信 号以及不导相的选择信号 4 24 2 硬件组成及其工作原理硬件组成及其工作原理 无位置传感器检测电路框图如图 4 2 所示 将 BLDC 三相绕组端电压取出 经过限 幅后 经由电压跟随器 电机运行过程中 以保证端电压信号不会衰减 再分别通过 过零比较器 将无位置检测所产生的过零点信号进过光电隔离电路输入给 DSP 的数字 I O 捕获端口 以使 DSP 对过零信号跳变沿进行相应 以进入 DSP 的捕获中断进行换相 当输入 I O 引脚上的信号发生跳变时 既是不导通相反电动势的过零点 延时 30 电 角度就是 BLDC 的换相点 根据使用换相控制模块所采用的定时器所运行的数值会被捕 获进入存储器中 此捕获值可以作为换相时间的参考 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 22 页 共 41 页 三三 三三 三三 三三 三三 三三 三三 三三 三三 三三 三三 三三 DSPI O 三三 CAP三三 AD 三三 PWM三三 三三三三 三三三三三 6三PWM三三三三 666 BLDC 图 4 2 无位置传感器检测电路系统框图 4 2 1 DSP 最小系统 1 系统结构 一个典型的 DSP 最小系统如图 4 3 所示 包括 DSP 芯片 电源电路 复位电路 时钟电路及 J TA G 接口电路 考虑到与 PC 通信的需要 最小系统一般还需增添串 口通信电路 图 4 3 系统框图 TMS320F2812 是 TI 公司 C2000 系列中性价比较高的一款器件 该器件集成了丰 富而又先进的外设 如 128kB 的 Flash 存储器 4kB 的引导 ROM 数学运算表 电机 控制外设 串口通信外设 2kB 的 OTP ROM 以及 16 通道高性能 12 位模数转换模块 提供了两个采样保持电路可以实现双通道信号同步采样 同时具有很高的运算精度 32 位 和系统处理能力 达到 150MIPS 可广泛应用于电力自动化 电机控制和变频家电 等领域 2 系统硬件设计 1 电源及复位电路设计 DSP TMS320F2812 复位 Brushless dc motor compositio n diagram 电 Fig 2 2 Brushless dc motor compositio n diagram 路 JATG 电路 电源电路 串口通信 时钟电路 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 23 页 共 41 页 DSP 系统一般都采用多电源系统 电源及复位电路的设计对于系统性能有重要影响 TMS320F2812 是一个较低功耗芯片 核电压为 1 8V IO 电压为 3 3V 本文采用 TI 公司的 TPS767D318 电源芯片 该芯片属于线性降压型 DC DC 变换芯片 可以由 5V 电源同时产生两种不同的电压 3 3V 1 8V 或 2 5V 其 最 大 输 出 电 流 为 1000mA 可以同时满足一片 DSP 芯片和少量外围电路的供电需要 如图 4 4 所 示 该芯片自带电源监控及复位管理功能 可以方便地实现电源及复位电路设计 复 位电路原理图如图 4 5 所示 VDD3VFL NC 1 NC 2 1GND 3 1EN 4 1IN 5 1IN 6 NC 7 NC 8 2GND 9 2EN 10 2IN 11 2IN 12 NC 13 NC 14 NC 15 NC 16 2OUT 17 2OUT 18 2SENSE 19 NC 20 NC 21 2RESET 22 1OUT 23 1OUT 24 1FB SENSE 25 NC 26 NC 27 1RESET 28 U2 TPS767D318 0 R12 1uF C121 0 1uF C122 XRS 3 3V 1 8V 5V 图 4 4 电源电路 10K R31 三三三三 S1 SW PB XRS 3 3V RESET 图 4 5 复位电路 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 24 页 共 41 页 2 时钟电路设计 TMS320 F2812 DSP 的时钟可以有两种连接方式 即外部振荡器方式和谐振器方式 如果使用内部振荡器 则必须在 X1 XCLKIN 和 X2 两个引脚之间连接一个石英晶体 如果采用外部时钟 可将输入时钟信号直接连到 X1 XCLKIN 引脚上 X2 悬空 本文采 用的是内部振荡器 在 X1 XCLKIN 和 X2 两个引脚之间连接一个石英晶体 晶体电 路如图 4 6 所示 12 30M24pF C51 24pF C52 X2 X1 XCLKIN 图 4 6 晶体电路 3 DSP 与 J TAG 接口设计 JATG 接口用于上位机与目标板之间相互传输数据和信息 通过 JATG 接口可以将程 序下载到 DSP 的程序存储器中 如图 4 7 所示 值得注意的是 通常 JATG 接口都没有 进行电气隔离 因此应当避免在控制电路上引入高电压 特别是在电力电子与电力传 动应用领域 要注意将不同电位的系统进行隔离 以免在调试过程中烧毁上位机的主 板 DSP 仿真器通过 DSP 芯片上提供的扫描仿真引脚实现仿真功能 扫描仿真消除了传 统电路仿真存在的电缆过长会引起的信号失真及仿真插头的可靠性差等问题 采用扫 描仿真 使得在线仿真成为可能 给调试带来极大方便 J TAG 接口电路如图 4 7 所示 47K R41 3 3V 5V 0 01uF C41 2K R42 12 34 56 78 910 1112 1314 J1 JATG三三 EMU1 DSP VSS DSP VSS DSP VSS DSP VSS TSRT TCLK TCLK TMS TDI TDO EMU0 TRST 图 4 7 JATG 接口电路 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 25 页 共 41 页 4 2 2 主电路设计 1 驱动电路 图 4 8 所示 为 6 路 PWM 信号脉冲驱动电路 该电路有一块 IR2130 芯片所组成 IR2130 工作时 从脉冲形成部分输出的 6 路脉冲信号 经 3 个输入信号处理器 按真 值表处理后 变为 6 路输出脉冲 其对应的驱动 3 路低电压侧功率 MOS 管的信号 经 3 路输出驱动器放大后 直接送往被驱动功率 MOS 器件的栅源级 而另外 3 路高压侧驱 动信号 H1 H3 先经集成于 IR2130 内部的 3 个脉冲处理和电平移位器中的自举电路进行 电位变换 变为 3 路电位悬浮的驱动脉冲 再经过对应的 3 路输出锁存器锁存 并经 严格的驱动脉冲欠压与否检测后 送到输出驱动器进行功率放大 最后才被加到驱动 的功率 MOS 期间的栅源极 这 6 路脉冲输出后 就可以加载到 IGBT 模块进行三相电路 换相操作 VCC 1 HIN1 2 HIN2 3 HIN3 4 LIN1 5 LIN2 6 LIN3 7 FAULT 8 ITRIP 9 CAO 10 CA 11 VSS 12 VSO 13 LO3 14 LO2 15 LO1 16 17 VS3 18 HO3 19 VB3 20 21 VS2 22 HO2 23 VB2 24 25 VS1 26 HO1 27 VB1 28 U1 IR2130 HIN1 HIN2 HIN3 LIN1 LIN2 LIN3 51K R11 FAULT ITRIP Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 B1 B2 B3 S1 S2 S3 15V 0 1uF C1 0 1uF C2 0 1uF C3 0 1uF C4 LED1 FAULT LED2LED3LED4 图 4 8 IR2130 PWM 驱动电路 2 电子开关主电路 图 4 9 为 IGBT 功率放大模块 图中 Q1 Q6 是由数字信号处理器控制的功率开关 根据电动机的额定电压和额定电流 功率开关可以选择 MOSFET 管 IGBT 管或者更简单 的双极型晶体管 6 个 PWM 信号分别驱动 Q1 Q6 端口 如果 PWMx 信号根据指定的顺序 进行 ON OFF 切换 则电动机将以额定转速旋转 这里假设直流母线电压等于电动机的 中北大学 2012 届毕业设计说明书 第 26 页 共 41 页 额定电压 如果需要调节电动机的转速 则必须将这些信号经过脉宽调制 PWM 到更高 频率的信号上 一般情况下 PWM 频率至少是电动机频率的 10 倍 改变 PWM 调制信号 的占空比时 电动机定子的平均电压也随之改变 从而使电动机的转速发生变化 采 用 PWM 调制信号控制的另外一个优点既是当母线电压高于电动机的额定电压时 可以 通过限定 PWM 的占空比使电动机一直在额定电压范围内 因此 采用脉宽调制技术控 制电动机的电压具有灵活方便的特点 D1 D2 D3 D4 D5 D6 L1 L2 L3 V1 28V三三三三三三