低成本无刷直流电动机无传感器控制方法8225.docx

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1、*低成本无刷直流电动机无传感器控制方法李浩昱 张晶哈尔滨工业业大学摘要：提出出了以低成成本的8位位单片机结结合可编程程逻辑器件件（PLDD）作为无无传感器无无刷直流电电动机控制制系统核心心的方法。分分析了换相相控制中偏偏离“最佳换相相逻辑”的原因，并并提出了相相应的软件件补偿方法法。系统采采用PWMM闭环调速速的方法，根根据无刷直直流电机的的动态数学学模型，利利用MATTLAB/SIMLLINK对对无刷电机机和调速环环节进行建建模，通过过仿真结果果验证了系系统闭环调调速的可行行性。最后后通过实验验波形验证证了整个控控制系统的的合理性。关键词：无无刷直流电电动机 无位置传传感器控制制 可编编程逻

2、辑器器件Contrrol oof Seensorrlesss BLDDCM aat Loow CoostLi Haaoyu Zhaang JJingAbstrract：Basedd on low costt perrformmancee 8biits ssinglle-chhip mmicroocompputerr andd proogrammmablle loogic deviice (PLD), thhe seensorrlesss conntroll sysstem for brusshlesss DCC mottor (BLDCCM) iis prresennted in tthe p

3、paperr. Thhe reeasonns deeviatting fromm thee besst coomunaatatiion llogicc in conttrol are anallyzedd, a softtwaree metthod is pput fforwaard tto obbtainn thee besst coommuttatioon tiime. The PWM Closse-looop ccontrrol oof thhe sppeed is aalso intrroducced. The MATLLAB/SSIMLIINK ssimullatioon annd

4、exxperiimenttal rresullts vveriffied the rreasoonabiilityy andd feaasibiilityy of the methhod.Key wwordss：brusshlesss DCC mottor（BBLDCMM） seensorrlesss conntroll prrograammabble llogicc devvice（PLD）1 引言言无刷直流电电机的无传传感器控制制是近年来来电机驱动动领域关注注的一项技技术。无位位置传感器器控制的关关键在于获获得可靠的的转子位置置信号，即即从软、硬硬件两个方方面间接获获得可靠的的转子位置置信

5、号来代代替传统的的位置传感感器13。采采用无传感感器控制技技术的无刷刷电机具有有结构简单单、体积小小、可靠性性高和可维维护性强等等优点，使使其在多个个领域内得得到了充分分的利用4。目前对对于无传感感器无刷电电机的控制制多采用单单纯依靠DDSP软件件控制的方方法5，但是由由于控制算算法计算量量大，执行行速度较慢慢，且DSSP成本较较高，不利利于以后向向市场推广广。同时也也出现了应应用于无传传感器BLLDCM控控制的一些些专用的集集成电路6，但但由于这些些芯片可扩扩展性和通通用性较* 黑龙龙江省20005年科科技攻关项项目（GCC05A3315）低，而且价价格昂贵，只只适用于低低压、小功功率领域。

6、为为了扩展无无传感器BBLDCMM应用领域域，降低其其控制系统统的成本，扩扩充控制系系统的功能能，增加控控制系统的的灵活性，本本文以MCCU+PLLD方式组组成控制系系统的核心心，利用PPLD数字字逻辑功能能，分担MMCU的逻逻辑运算压压力，使MMCU和PPLD的功功能都得到到了最大程程度的发挥挥。对于无无位置传感感器BLDDCM控制制系统，本本文着重分分析了换相相控制策略略和闭环调调速，最后后通过仿真真和实验，验验证了控制制系统的合合理性和可可行性。2 系统统的总体硬硬件设计本文中所设设计系统是是以8位PPIC单片片机和PLLD构成的的硬件平台台，硬件结结构框图如如图1所示示。图1 系系统总

7、体结结构硬件框框图功率逆变电电路采用三三相全桥逆逆变结构，电电机定子绕绕组为Y接接法，电机机工作模式式为三相66状态方式式。在本文文无传感器器控制方式式中采用反反电动势过过零位置检检测方法，位位置检测电电路根据电电机端电压压获取3路路位置信号号，将信号号送入PIIC单片机机进行软件件移相后得得到3路换换相信号，由由可编程逻逻辑器件进进行逻辑解解码后输出出6路驱动动开关管的的前极信号号，通过驱驱动芯片IIR22333产生驱驱动信号以以控制各开开关管的导导通与关断断。该系统统采用速度度单闭环方方式，通过过改变PWWM的占空空比以达到到调速的目目的。本文中选用用Micrrochiip公司的的单片机P

8、PIC166F8744作为控制制核心，它它内部有88K的FLLASH程程序存储器器，3688字节的数数据存储器器（RAMM），2556字节的的EEPRROM数据据存储器，114个中断断源，8级级深度的硬硬件堆栈，33个定时/计数器，两两个捕捉/比较/PPWM（CCCP）模模块，100位多通道道A/D转转换器等外外围电路和和硬件资源源6。这这些使得运运用PICC16F8874在设设计硬件电电路时，控控制电路大大大简化，可可靠性提高高，调试更更加方便。PIC166F8744单片机的的B端口的的47口具有有电平变化化中断的功功能，利用用RB5RB7作作为反电动动势的过零零点检测信信号的输入入，如已开

9、开RB口中中断，一旦旦有过零点点出现（发发生电平的的变化）就就进入RBB口中断服服务。利用用CCP模模块输出占占空比可调调的信号，可可实现直流流电机调速速。3 控制制方法3.1 软件相移移补偿 由于于采用脉宽宽调制技术术进行调速速，导致无无刷电机端端电压波形形中存在一一定的高频频调制分量量，因此在在反电势检检测中必须须采用有源源低通滤波波电路以滤滤除高频分分量，避免免得到错误误的过零点点，但对反反电动势信信号产生一一定的滞后后，同时由由于软件执执行带来的的延时，故故从反电势势检测电路路输出的反反电势信号号比真实的的反电势信信号要滞后后一些。当当电机的转转速较高时时，信号滞滞后所带来来的负面影影

10、响就比较较严重，电电机表现为为高速带负负载能力差差，并且电电流增大许许多倍，甚甚至于电机机可能会突突然停转7。因因而要对反反电势信号号进行补偿偿，以得到到准确的换换相信号PPa，Pb，Pc。反电势检测测输出信号号滞后的电电角度跟电电机的转速速成正比关关系如下所所示：电机的最佳佳换相时刻刻是在反电电势过零再再延迟300（电角度度）。在实实际应用中中合理的设设计反电动动势检测电电路，使其其相角位移移在整个调调速运行频频率范围内内不超过330。如图22所示，反反电势过零零点从m点移到m点，检测测到反电势势过零后，相相位延迟角角应调整为为=30-，即再延延迟角度进行行换相。本本文是通过过如下方法法来实

11、现的的，计算延延时30（电角度度）的时间间和当前转转速下反电电势滞后的的时间，二二者之差即即为检测到到的反电势势过零点后后到正确换换相之间的的延时时间间。由于换换相偏差角角与电机的的速度相关关，因此调调速过程中中需要动态态地进行补补偿。为了了节省微控控制器的运运算时间，可可预先计算算出不同速速度下的延延时时间，存存储在ROOM中，电电机在运行行过程中查查表调用，以以空间来换换取时间，提提高了系统统的实时性性。图2 反反电动势相相位延迟3.2 逻辑换相相换相逻辑完完全可由PPIC单片片机来完成成，但是由由于单片机机是按串行行方式工作作，指令在在时序上是是逐条执行行的，在实实际系统的的运行过程程中

12、，恶劣劣的工作环环境很容易易使系统死死机或程序序飞逸。因因此本文利利用PLDD器件的强强大的数字字逻辑功能能来完成逻逻辑换相，不不仅分担了了PIC的的逻辑运算算压力，同同时提高了了系统的稳稳定性和可可靠性，简简化了控制制系统的外外围设置。PLD实现现逻辑解码码的第一步步是根据单单片机输出出换相信号号Pa，Pb和Pc（如表表3）和正正反转信号号判断开关关管的工作作顺序（GG1，G33，G5为为上桥臂开开关管，GG2，G44，G6为为下桥臂开开关管）。再再根据换相相信号将PPIC单片片机发出的的PWM信信号提供给给处于工作作状态的开开关管作为为其导通信信号。表3 换换相信号和和开关管工工作顺序Pa

13、PbPc正转反转000XX101G1G4G3G2100G1G6G3G6110G3G6G1G6010G3G2G1G4011G5G2G5G4001G5G4G5G2111XX4 系统统的闭环调调速及仿真真4.1 调速策略略由于无刷直直流电动机机具有普通通有刷直流流电动机的的机械性能能，所以通通常采用PPWM调压压调速的方方法。其方方法是单片片机CPUU根据采集集速度给定定值和速度度反馈实际际值，计算算得出的速速度误差控控制量，经经过数字PPID调节节来控制输输出PWMM信号的占占空比，送送入逻辑综综合分配单单元，控制制三相桥式式逆变器。通通过调节转转速给定值值，单片机机内部调节节PWM的的占空比，也

14、也就调节了了加在电机机上的脉冲冲电压，从从而实现了了电机转速速的无极平平滑调速。为为了实现速速度无静差差控制，速速度闭环采采用PI控控制器，其其中比例环环节可以使使电机转速速快速跟随随给定转速速，积分环环节可有效效实现速度度的无静差差精确控制制，且稳定定高。电机速度采采用软件TT法测速，单单片机可自自动地捕获获到位置信信号的两个个上升沿，可可通过计算算得出两个个上升沿间间隔的时间间T，及在T内计得的的时钟脉冲冲的个数m，则通过过f=1/T=1/m，即可求求出电机的的转速。外外部转速的的给定通过过外部电位位器，调节节电位器可可以得到一一个05 V连连续变化的的标准电压压信号，将将该信号送送入单片

15、机机的AD转转换口，转转换位100位的二进进制数字量量。4.2 调速系统统的仿真分分析以具有梯形形反电动势势波形的三三相直流无无刷电机建建立数学动动态模型，系系统工作在在二二导通通、三相66拍的工作作方式。dtxBLDCMM相电压、电电流、中性性点电压方方程分别为为dt 式中：为各各相对地电电压，V；为绕组各各相电流，AA；为各相相反电动势势，V；为为中性点对对地电压，VV；为绕组组各相电阻阻，；为各相绕绕组自感，HH；为各相相绕组间的的互感，HH。电磁转矩和和转子运动动方程分别别为式中：为电电机的电磁磁转矩；为为电机转子子电角频率率；为负载载转矩；为为转动惯量量；为阻尼尼系数。根据无刷直直流

16、电机的的数学动态态模型建立立无刷直流流电机与调调速环节的的MATLLAB/SSIMKIINK的仿仿真模型，总总体设计如如图3所示示，其中子子系统14分别为为中性点对对地电压计计算模块、梯梯形反电动动势模块、PPWM调制制模块和换换相逻辑模模块。针对额定电电压为1550 V，给给定转速为为10000 r/mmin，定定子绕组为为0.5 ，自感为为0.655 mH，互互感为1.44 mmH，极对对数为1的的电机进行行仿真，在在0.5 s，1.5 s时时系统给定定转速突变变为12000 r/min，8800 rr/minn，得到的的转子转速速、绕组相相电压、电电流波形如如图4所示示。从仿真真结果来看

17、看，与理论论分析基本本一致，在在给定转速速发生变化化的情况下下具有很强强的跟踪能能力，且具具有较好的的动态、静静态响应。5 试验验结果与结结论针对额定电电压为1550V，额额定转速为为40000 r/mmin的电电机进行试试验，图55，6分别别为电机工工作图3 直直流无刷电电机SIMMLINKK仿真模型型图4 转转子转速变变化曲线和和PWM调调速相电压压、电流波波形在10000 r/mmin时的的相电压和和电流波形形。通过实实验验证了了所设计的的控制系统统的合理性性和可行性性。图5 绕组组相电压波波形图6 绕组组相电流波波形本文提出了了以PICC+PLDD为控制的的核心的设设计方案，充充分利用

18、了了PIC单单片机的丰丰富的片内内资源，高高效的运算算处理能力力及便捷的的PWM功功能，同时时结合PLLD强大的的数字逻辑辑功能来实实现对无位位置传感器器BLDCCM控制，保保证了控制制的实时性性，有效的的简化了硬硬件设计，使使系统得结结构更加简简洁、紧凑凑。最后通通过仿真验验证闭环调调速系统设设计的正确确性。参考文献1 宋海海龙.无刷刷直流电动动机的无位位置传感器器控制JJ.电机机与控制学学报.20002，66(3):2082122 Jeessenn Cheen, Peii-Choong TTang. A SSlidiing MMode Currrent Conttrol Scheeme f

19、for PPWM BBrushhlesss DC Motoor DrrivessJ. IEEEE Trrans. On Poower Elecctronnics. 19999, 114(3):11007111113 Maatsuii N, Shiggyo MM. Brrushlless DC MMotorr Witthoutt Possitioon annd Sppeed SenssorsJ.IIEEE Tranns. OOn Inndusttry AAppliicatiion.11992,21(11):12201274 胡文文静.永磁磁无刷直流流电动机的的发展及展展望J.微电机机，20002,355(4):37385 王敏敏荣,楼顺顺天.基于于DSP的的无刷直流流电动机控控制系统设设计J.微电机机，20006,399(6):46486 Miicro Lineear. Senssorleess SSmartt-Staart BBLDC PWM Motoor CoontroollerrM.19977,11167 龚黎黎明,辜承承林.无位位置传感器器永磁无刷刷直流电动动机换相策策略研究J.电电气传动自自动化，22004，226(4)：1316