馬瑞卿，李穎，劉冠志(西北工業(yè)大學(xué)．陜西西安710129)
摘要：針對具有霍爾位置傳感器的無刷直流電機(jī)，以dsPIC30F2010為核心控制單元，給出了一種正弦波驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的新方法。根據(jù)三相Hall位置信號所包含的位置和速度信息，獲得正弦調(diào)制波的周期和幅值，并利用不對稱規(guī)則采樣法生成六路SPWM信號。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法能夠在低成本的前提下，實(shí)現(xiàn)正弦波驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行.
關(guān)鍵詞：dsPIC30F2010；無刷直流電動(dòng)機(jī)；Hall位置傳感器；正弦脈寬調(diào)制
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018-2010-08—0011—04
0引言
無刷直流電動(dòng)機(jī)以其良好的性能和長久的使用壽命在軍事、工業(yè)場合得到廣泛應(yīng)用。方波驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)電路簡單，可選用廉價(jià)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而驅(qū)動(dòng)成本較低。而正弦波驅(qū)動(dòng)元刷直流電動(dòng)機(jī)在保證機(jī)械特性和轉(zhuǎn)矩特性不變的前提下，具有更低的轉(zhuǎn)矩紋波、更小的音頻噪聲、更優(yōu)良的控制性能。
現(xiàn)有的正弦波驅(qū)動(dòng)方法需要高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器(如光電編碼器)，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本較高。本文針對具有三相Hall位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，以dsPIC30F2010為核心控制單元，設(shè)計(jì)了一種正弦脈寬調(diào)制波(SeWM)驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用三相霍爾位置信號，通過合理的軟件算法，計(jì)算出正弦調(diào)制波的周期和幅值，并采用不對稱規(guī)則采樣法的數(shù)學(xué)模型生成六路SPgWl信號，通過CPLD進(jìn)行故障綜合后控制三相全橋逆變器工作，實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)。
用Hall轉(zhuǎn)子位置傳感器取代r傳統(tǒng)正弦波驅(qū)動(dòng)中使用的高分辨率轉(zhuǎn)子位置傳感器，這種方法在保證正弦波驅(qū)動(dòng)優(yōu)良特性的前提下，有效降低了正弦波驅(qū)動(dòng)的成本，將為正弦波驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用拓展更大的空間。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
以3對極三相星形六狀態(tài)工作的無刷直流電動(dòng)機(jī)為控制對象，原理框圖如圖1所示。
1 1控制單元設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以微芯(Microchip)公司生產(chǎn)的dsPlC30F2010為核心控制單元。dsPIC30F2010具有6個(gè)速率為1 Ms／s的A／D轉(zhuǎn)換器、1 kb的非易失性EEPROM數(shù)據(jù)存儲器、4個(gè)輸入捕獲通道以及6路獨(dú)立輸出的電機(jī)控制專用PWM通道…，是一款無刷直流電動(dòng)機(jī)控制的專用數(shù)字信號處理芯片。
dsPIC30F2010外圍電路如圖2所示，電位計(jì)R105用于選擇給定轉(zhuǎn)速，通過隔離電路反饋到輸入捕獲通道的三相霍爾位置信號可實(shí)時(shí)計(jì)算正弦調(diào)制波的周期和反饋轉(zhuǎn)速。給定轉(zhuǎn)速和反饋轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)過PID】調(diào)節(jié)后對正弦波周期和幅值進(jìn)行控制。
1．2電機(jī)起動(dòng)
在無刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，霍爾位置信號頻率很低，容易引起周期計(jì)數(shù)器的溢出而使得周期計(jì)算失準(zhǔn)，影響反饋速度的測量。因此，在電機(jī)起動(dòng)之初，系統(tǒng)用以SGl525為核心的PwM生成單元，生成兩路互補(bǔ)的PwM信號，通過cPLD與三相HaIl位置信號進(jìn)行邏輯綜合后，控制三相全橋逆變器的六只功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)方波起動(dòng)。當(dāng)反饋轉(zhuǎn)速測量值Nmea達(dá)到100r／min時(shí)，切換到正弦波驅(qū)動(dòng)。
1．3邏輯單元設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電后，默認(rèn)Inf信號為低電平，電機(jī)按照方波模式起動(dòng)，以EPM7064為核心的邏輯單元綜合由PwM生成單元發(fā)出的兩路互補(bǔ)的PwM信號，相HaLL位置信號，正反轉(zhuǎn)信號、故障信號，發(fā)出六路PwM信號，無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行開環(huán)方波起動(dòng)。同時(shí)，控制單兀實(shí)時(shí)計(jì)算正弦調(diào)制波的周期和幅值，并通過不對稱規(guī)則采樣法生成六路SPWM信號，但由于CPLD此時(shí)將止弦波驅(qū)動(dòng)通道封鎖而未執(zhí)行正弦波驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)控制單元計(jì)算的反饋轉(zhuǎn)速nmea達(dá)到一定值后(此值在單片機(jī)程序中已經(jīng)預(yù)置為約100 r／min，并且可調(diào))，dsPIC30F2010信號置高，通知EPM7064封鎖兩路PwM輸入，打開六路sPwM輸入通道，并通過綜合sPWlVI信號、Hall位置信號和故障信號，使系統(tǒng)切換到轉(zhuǎn)速閉環(huán)的sPWM驅(qū)動(dòng)模式。從方波起動(dòng)到正弦波驅(qū)動(dòng)的過程約幾十毫秒。
1．4驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)單元由IR2130和少量的外圍電路構(gòu)成，用于將邏輯單元的輸出信號進(jìn)行放大，以控制三相逆變器的六只功率管按相應(yīng)的規(guī)律導(dǎo)通和關(guān)斷。另外IR2130可通過采樣電阻R2(0．22Ω／2 W)實(shí)時(shí)采樣逆變器直流母線的電流，并經(jīng)過內(nèi)部比較器與內(nèi)置的 0．5 v基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較：如果采樣電流經(jīng)放大后的電壓信號大于基準(zhǔn)電壓，則IR2130的8腳變低，輸出過流保護(hù)信號，發(fā)送給邏輯單元對系統(tǒng)進(jìn)行故障綜合與保護(hù)。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制單元軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。
2．1正弦調(diào)制波周期、幅值的計(jì)算
用c編寫的dsPIC30F2010程序，將Hall B對應(yīng)的捕獲n PB設(shè)置為雙沿捕捉模式，將相鄰跳變沿時(shí)間間隔存放于變量TM中，其值對應(yīng)正弦調(diào)制波周期的半值，并在每個(gè)TM開始時(shí)將定時(shí)器清零，以免計(jì)數(shù)器發(fā)生溢出{3}。如果對dsPIC30f2010的，系統(tǒng)時(shí)鐘(20 MHz)進(jìn)行64分頻，則每個(gè)計(jì)數(shù)值代表3.2μs。所以有：
Tm=N×3.2 (1)
式中：Ⅳ為捕獲汁數(shù)器所計(jì)的脈沖數(shù)。
由此可對正弦調(diào)制波周期半值TM進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，由于系統(tǒng)采用的無刷直流電動(dòng)機(jī)是3對極，因此1每個(gè)TM代表1/6機(jī)械周期。則
當(dāng)nmeanref時(shí)，電機(jī)需要減速，相應(yīng)減小SPwM的占空比，增大sPwM的周期.由于正弦調(diào)制波的幅值變量決定了輸出sPwM信號占空比的大小，兇而給定轉(zhuǎn)速nref與反饋轉(zhuǎn)速nmea的差值．經(jīng)過10 ms執(zhí)行一次的PID調(diào)節(jié)后輸出的合成控制量，可以作為正弦波幅值的給定控制量用于補(bǔ)償轉(zhuǎn)速誤差{1-3}
轉(zhuǎn)子區(qū)間計(jì)算提供電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)向，用于確定轉(zhuǎn)速計(jì)算值的正負(fù)。每60°。電角度劃分為一個(gè)轉(zhuǎn)子區(qū)問，與相應(yīng)的三相霍爾信號邏輯組合對應(yīng)，在程序中分別用 o～5進(jìn)行轉(zhuǎn)子區(qū)間標(biāo)識，并用當(dāng)前區(qū)間與上一區(qū)間進(jìn)行比較的方式確定當(dāng)前轉(zhuǎn)向，如表1所示、
2．2六路SPWM信號的生成
在獲得正弦調(diào)制波周期和幅值后，設(shè)載波比N=36(為保證三相sPwM波對稱，N****選3的倍數(shù))，根據(jù)不對稱規(guī)則法的采樣原理有{4}：
式中：M為正弦波與三角波的幅值之比；N為正弦波與三角波的周期之比；；TAK,TK,TCK為SPWM開關(guān)時(shí)刻,TC為三角載波周期(s).
實(shí)時(shí)計(jì)算得到的TM值和10 ms執(zhí)行一次的PID運(yùn)算結(jié)果將分別用于計(jì)算和更新式(3)中的TC和M。將式（3）計(jì)算得到的三相sPwM信號每個(gè)正弦調(diào)制波正半周期內(nèi)36個(gè)脈沖的開關(guān)時(shí)刻制表存于EEPROM中，以備查用。
比較定時(shí)器以實(shí)時(shí)計(jì)算的TC/2值為周期，并設(shè)置為雙更新連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，使得在定時(shí)器下溢和周期匹配時(shí)都產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)子程序?qū)ak,tbk,tck,分別寫入三個(gè)占空比寄存器，Pwm輸出設(shè)置為低有效(IR2130驅(qū)動(dòng)輸入為低有效)當(dāng)計(jì)數(shù)器中的數(shù)與三個(gè)占空比寄存器中任一個(gè)數(shù)匹配時(shí)，對應(yīng)相輸出低電平．當(dāng)B相開關(guān)時(shí)刻表中最后一個(gè)開關(guān)時(shí)刻被寫入占空比寄存器時(shí)(即K=N-1)，封鎖當(dāng)前輸出通道sPwMBH(sPwMBl)，切換到SPWMBL(sPWMBH)輸出，A,C相也相同，這樣便得到上下管交替導(dǎo)通180。的六路sPwM信號。
3仿真和實(shí)驗(yàn)
3 1仿真結(jié)果及分析
根據(jù)上述sPWM驅(qū)動(dòng)原理，在典型正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)仿真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合PwM生成模塊、控制模塊、三相全橋逆變器模塊，構(gòu)建_r基于simulihk的正弦波驅(qū)動(dòng)BLDcM系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。
以看出，在0．05 s處進(jìn)行方波起動(dòng)到正弦波驅(qū)動(dòng)的切換。六只功率管由切換前方波起動(dòng)的120。導(dǎo)通，平滑過渡到正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)每相上下管的180。交替導(dǎo)通換相。在E下管換相時(shí)插入的2μs死區(qū)時(shí)問，可有效避免了上下管直通。由于系統(tǒng)不斷通過Hall位置信號檢測轉(zhuǎn)子位置信息，因而切換瞬問線電壓能夠平滑過度，實(shí)現(xiàn)了工作模態(tài)的“軟”切換。
3 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字式線性直流穩(wěn)壓電源(MOTEcHLPS-305)，數(shù)字式示波器(Tektronix TDs2024)，無刷直流電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)電機(jī)為3對極、額定電壓28 v、額定轉(zhuǎn)速1000r／min，采用正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其方波起動(dòng)到正弦波運(yùn)行切換前后的換相邏輯和線電壓結(jié)果如圖6所示。
由圖6的實(shí)驗(yàn)波形可以看出，實(shí)驗(yàn)證明了該方法實(shí)現(xiàn)了“軟”切換，即能夠在切換前方波起動(dòng)的120。導(dǎo)通到切換后正弦波驅(qū)動(dòng)的180。導(dǎo)通之間平滑過渡。由于在方波起動(dòng)的過程中，單片機(jī)已經(jīng)丌始監(jiān)控Hall的跳變沿，且據(jù)此計(jì)算出tc和M并不斷更新開關(guān)時(shí)刻表，只是由cPLD對sPwM輸出進(jìn)行封鎖而未執(zhí)行，只要TC足夠小(速度夠大)，單片機(jī)會發(fā)出inf信號(圖2)通知cPLD打開sPwM輸出通道，由于cPLD打開通道這一動(dòng)作幾乎不需要時(shí)間(nm級)，因而過渡平滑。另外，由于載波比Ⅳ取得較大，圖6b中線電壓波形在切換后正弦化程度較高，達(dá)到了正弦波驅(qū)動(dòng)的目的。
4結(jié)語
本文給出了基于dsPIc30F201O單片機(jī)的sP—wM波驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制策略以及軟、硬件設(shè)計(jì)方法，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的正弦波驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)方波驅(qū)動(dòng)120。導(dǎo)通和正弦波驅(qū)動(dòng)180。驅(qū)動(dòng)之間的平滑切換，并且正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)線電壓波形正弦化程度較高，具有優(yōu)良的控制性能。由于控制系統(tǒng)避免了高分辨率轉(zhuǎn)子位置傳感器的使用，達(dá)到了降低正弦波驅(qū)動(dòng)成本的目的。
與方波驅(qū)動(dòng)器相比，本系統(tǒng)具有更低的轉(zhuǎn)矩紋波、更小的音頻噪聲和更優(yōu)良的控制性能，為進(jìn)一步拓展正弦波驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用范圍開拓了更廣闊的空間。
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