无传感器无刷直流电机系统设计

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:1

摘要：本文介绍了一个无传感器BLDC（无刷直流电机）系统的结构组成，该系统以Motorola的MC68HC705MC4作为控制芯片。并详细讨论了系统的硬件构成、无位置传感器系统的控制算法和控制程序的各主要功能模块。
关键词：无传感器；PWM；BLDC　

近年来，电力电子技术的飞速发展带动了电机行业新的革命。无位置传感器无刷直流电机（BLDC）具有无换向火花、无无线电干扰、寿命长、运行可靠、维护简便等有点，而且不必为一般无刷直流电机所必须的位置传感器带来的对电机体积、成本、制造工艺的较高要求和抗干扰性差问题而担忧，因此应用前景广阔。

国内外的学者对无位置传感器的无刷直流电机已进行了多年的研究，提出过不少方案。本文所述的方案，是建立在电机定子绕组反电动势检测原理的基础上。

1. 无传感器BLDC应用系统结构

该设计结构简单、成本低。

2. 系统控制程序设计与讨论

2.1 控制算法

控制算法有两种：

第一种方法是通过计算基于相的反电动势过零点的转换事件。这种方法的不足之处在于：对反馈信号的任何干扰，都可能引起扭矩波动和电机停转。

为了克服如上问题，提出了第二种方法。在这种方法中，电机按同步电机方式运转，产生的操作电压保证反电动势与转换一致，相的反电动势过零点将可以保证在一时间段内，不需要计算下一个转换事件，而是直接基于对反电动势的检测进行处理。所以这是一个更加稳定的运算法则（在有反馈干扰信号的情况下），使电机不会停转，采用这种运算法则，电机速度变化很小。下面简要介绍这一算法的控制流程。

（1）补偿阶段

在电机启动前，两相通电的时候，存在一个很短的时间（取决于电机的时间常数），在该时间内，电流控制器保证电流在预定义的范围内，以产生高的启动扭矩。

（2）抖动阶段

经过补偿阶段，电机开始启动和抖动直至达到工作速度。电流控制器保证电流不超过最大值。

反电动势检测技术使得无需传感器就可识别转子的位置，然而起始阶段不能有这种反馈。这是因为感应电压的大小与电机的转速成正比，因此，在速度很低时反电动势不能被检测，而要执行一个特殊的启动算法。

（3）稳定期

在稳定期，电机以恒定的速度运行。在与反电动势同步之前，电机转速恒定不变。

（4）PLL的获得阶段

关闭电流控制器，开启过电流检测，由一个电压源给电机供电，减小PWM频宽比，直至几个过零点在目标时间段（90°<α>180°）内被检测到。

（5）正常运行阶段

要进入这一阶段，必须满足下列条件：

1）过零事件必须在时间段内（90°<α<180°）被检测到若干次；
2）电流尖峰必须限制在一定范围内。

接下来，通过控制相电压，PLL控制器保证正确的相变角度，电机以适当的功率运行，并不停地进行电流检测、过电流检测和电机停转检测。

2.2控制程序的主要功能模块

控制程序被分成几个主要功能模块：初始化、启动、主程序和中断服务程序。几个子程序在这些模块中调用。

（1）初始化程序

初始化程序主要包括：I/O口初始化、A/D转换初始化、PWM初始化、时间输出比较功能初始化、输入捕捉功能初始化、电流控制器初始化等。

（2）启动程序

该程序执行启动算法，参见2.1控制算法部分的内容。

（3）主程序

在主程序中，调用速度设置、直流总线电压检测和转换子程序，处理过零反馈，并且评测角度α。

（4）子程序

1）紧急停转子程序

该程序关闭所有的的PWM输出并处于等待状态，过一段时间后试着重新启动。

2）速度设置和直流总线电压测量子程序

速度设置或直流总线电压的A/D转换结果被存储在内存中，选择连续的A/D通道，并启动A/D转换。

3）电流控制子程序

电流控制子程序每512μs被调用一次。PI控制器用来计算直流总线电压的PWM值，占空比与PI控制器的计算结果成一定比例，它被PWM寄存器直接使用。

4）转换子程序

PWM控制寄存器的值和MUX命令可在查询表中找到。MUX命令控制着多路调制器，MUX用于处理过零信号。定时器输入捕捉功能的边沿触发功能被设定，以检测过零信号的升降沿。是上升沿还是下降沿，与转子的位置和实际转换状态有关。

5）抖动子程序

抖动程序考虑了转换周期，因此可实现“S”形的速度曲线，而不需要区分算法。

运算公式如下：

加速： Tn 1= Tn – [K(Tn-Tstop)/256] –1 (1)
减速： Tn 1=Tn [K(Tn-Tstop)/256] 1 (2)

其中：

T: 转换周期；
K: 改变速度曲线斜率的参数；
Tstart: 抖动开始时的转换周期；
Tstop: 抖动结束时的转换周期。

（6）ISR----中断服务程序

1）定时器输出比较中断服务程序

定时器1和定时器2是由该中断程序提供的异步软件定时器。

如果工作特性中断被定时器1引起，为了与PWM信号同步，首先要进行直流总线电流的转换。然后，获得的值经过过电流和尖峰电流检测程序检查，设置电流控制器标志，这一标志使得电流控制器子程序被调用时采用新的数据。

如果工作特性中断是由定时器2所引起，那么预设的值被送进PWM寄存器，并且输出MUX命令。

在这里，IC中断（ICIE2）被禁止，以避免反电动势的检测受切换过程中产生的干扰的影响。大约50 μs后使能中断。

如果两个中断发生的间隔小于133us，那么定时器2具有中断优先权，保证转换在正确的时机进行，而A/D转换被推迟。

在定时器1和定时器2状态的基础上，计算出用于定时器输出比较寄存器的新值。

2）定时器输入捕获中断服务程序

该中断由位置识别逻辑产生的信号所引起。这里，必须特别注意燥声的影响，因为它有可能干扰输入信号。

3）IRQ程序

这里提供了唤醒信号。当单片机处于等待模式时，唤醒信号用于允许系统执行转换。

参考文献
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