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無地位傳感器的直流無刷機電節制體系設想與完成
來歷:賽斯維傳感器網 頒發于 2015/5/29

  弁言

  傳統上把具備梯形波反電勢的永磁同步機電稱為直流無刷機電。直流無刷機電的轉矩節制須要轉子地位信息來完成有用的定子電流節制。并且,對轉速節制,也須要速率旌旗燈號,操縱地位傳感器是直流無刷機電矢量節制的底子,可是,地位傳感器的存在也給直流無刷機電的操縱帶來良多的錯誤謬誤與便利:起首,地位傳感器會增添機電的體積和本錢;其次,連線浩繁的地位傳感器會下降機電運轉的靠得住性,即使是此刻操縱最多的霍爾傳感器,也存在必然水平的磁不敏感區;再次,在某些卑劣的任務環境、比方在密封的空調緊縮機中,因為制冷劑的強侵蝕性,慣例的地位傳感器底子沒法操縱;最初,傳感器的裝置精度還會影響機電的運轉機能,增添了出產的工藝難度。

  無地位傳感器節制手藝是近30年來無刷直流機電(BLDCM)研討的一個首要標的目的。闡述了國際外BLDCM無地位傳感器節制的研討近況。側重先容了今朝操縱和研討較多的幾種慣例方式的根基道理、完成路子、操縱場所和優錯誤謬誤等,并對它們作了綜合闡發和比擬。無地位傳感器節制便是在不機器式地位傳感器的環境下遏制的節制。此時,作為逆變器開關換領導通時序旌旗燈號的轉子地位旌旗燈號依然是必不可少的,只不過不再由地位傳感器來供給,而應當由新的地位旌旗燈號檢測辦法來代替,即以進步電路和節制的龐雜性來下降機電規劃的龐雜性。

  今朝,BLDCM無地位傳感器節制研討的焦點是構架轉子地位旌旗燈號檢測電路,從軟硬件兩方面直接取得靠得住的轉子地位旌旗燈號,從而觸發導通響應的功率器件,驅念頭電運轉。到今朝為止,在浩繁的地位旌旗燈號檢測方式中,操縱和研討較多的首要有定子電感法、速率有關地位函數法、反電勢法、基波電勢換向法和狀況觀察器法等。

  1.基于反電勢的轉子地位檢測計劃

  無刷直流機電(BushlessDCMotor,BLDCM)具備無換向火花、運轉靠得住、掩護便利、規劃簡略等長處,是以在良多場所取得了普遍操縱。可是傳統的BLDCM須要一個附加的地位傳感器來節制轉子地位,這給其操縱帶來了良多倒霉的影響。BLDCM的無地位傳感器節制在近30年中一向是國際外較為熱門的研討課題[1]。今朝,對BLDCM的無地位傳感器節制,針對差別的機能請求和操縱場所,人們已提出了多種差別的節制現實和完成方式,比方定子電感法、速率有關地位函數法、反電勢法、基波電勢換向法、狀況觀察器法等。本文在扼要闡述BLDCM無地位傳感器節制研討近況的底子上,具體先容了今朝操縱和研討較多的幾類方式的根基道理、完成路子、操縱場所及優錯誤謬誤。

  當機電速率大于零時,每一個電周期內某相反電勢為零的地位只要兩個,能夠從圖1所示經由進程過零點時反電勢的斜率來辨別這些地位,每一段對應電周期內的60°區間。換向發生在每一段的邊境處,反電勢過零點和須要換向的地位之間有30°的偏移,須要對其遏制彌補。


  圖1反電勢過零點



  在任一時辰只要兩雷同電,且流經這兩相的電流相反,圖2所示為W相用于反電勢檢測時的環境。當U相內流經正向電流(界說為流向星型毗連中間點的電流),V相內流經負相電流時,對應圖1中區間6Q和1Q時,此置位的1舉措。假定通電相的兩頭老是對稱地別離毗連到DC電源地兩個端點上,則星型毗連中間點的電壓老是1/2VDC,與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性有關。


  上述方式很輕易經由進程硬件完成,即經由進程分壓電路對三相的端電壓和VDC別離遏制采樣,并將采樣值送入比擬器的比擬端口,取得的過零點時辰即為1/2VDC的時辰。操縱一個可用的定某相反電勢顛末時器丈量60°(即兩次反電勢過零點之間)的時候。

  2.DSP節制計劃的體系完成

  2.1TMS320LF240x芯片簡介

  TMS320LF240x系列DSP為知足大規模的數字電念頭節制(DMC)操縱而設想的。該芯片具備高機能的16位定點DSP內核,接納改良的哈佛總線規劃,具備特地的硬件乘法器,接納流水線操縱,具備30MIPS的處置才能,大大都指令在單周期內便可履行完成。TMS320LF240x能夠完成用軟件代替摹擬器件,完成龐雜的節制算法,便利地點竄節制戰略,批改節制參數,能知足無傳感器直流無刷機電節制體系對實時節制的請求。

  2.2DSP節制體系的硬件完成

  DSP體系由TMS320LF2407A與仿真口(JTAG)等焦點電路組成。DSP外部已有32K字的FlashROM,但為了調試的便利(FlashROM中的法式不能設置斷點,且需特地的下載法式),外加了法式RAM,在法式經屢次調試,成熟靠得住時可寫人外部的FlashROM,經由進程設置響應的跳線,DSP復位時便可從外部的FlashROM來履行法式。DSP片上有544字的雙口RAM(DARAM),全數設置裝備擺設到數據空間,將法式中頻仍存取的變量分派到這局部雙口RAM中,以進步處置的速率。DSP片上另有2K字的單口RAM(SARAM)設置裝備擺設到數據空間,也用來寄放姑且變量。

  圖3是按照前述節制道理設想的基于DSP的直流無刷機電節制體系。該體系首要由直流無刷機電、功率變更器電路、機電轉子地位檢測電路、各類掩護電路和以TMS320LF240x為焦點的數字節制器等組成,此中功率變更器電路由整流濾波電路、逆變器電路(IPM功率模塊)和響應的掩護電路組成。


  圖3DSP節制體系



  逆變器電路中的IPM模塊集成了多種掩護功效,如過電壓掩護、欠電壓掩護和過流掩護等,當到達掩護閾值時,IPM模塊經由進程FO引腳輸出一個低電平旌旗燈號,并將此低電平旌旗燈號送入DSP的PDPINTx引腳,觸發功率驅動掩護間斷,將一切PWM輸出引腳設置為高阻態,以此來關斷驅動旌旗燈號,起到掩護電路的感化。

  轉子地位檢測電路接納1/2電壓采樣法來完成,對機電的三相端電壓及直流母線電壓別離遏制采樣,并將采樣成果送入比擬器遏制比擬,從而取得過零點的時辰,其成果送入DSP的捉拿端口中。

  2.3DSP節制體系的軟件設想

  本節制體系接納速率、電流雙閉環的節制規劃。因為接納了面向機電節制的高速DSP,不管是速率環的設想,仍是電流環的完成,和各類反應旌旗燈號的處置和PWM節制旌旗燈號的發生,均接納了數字旌旗燈號處置手藝,用軟件完成硬件電路的功效,完成直流無刷機電的實時節制。

  節制體系的軟件設想首要包含DSP初始化法式和機電節制法式兩局部。DSP初始化法式首要完成體系時鐘的設定,間斷向量的界說,I/O端口的初始化,節制寄放器的設置和各功效模塊的初始化等;機電節制法式首要擔任機電的啟動節制、速率電流雙閉環節制、體系監控和毛病處置等,是以機電節制法式包含啟動子法式、電流和地位檢測間斷辦事子法式、速率節制子法式、電流節制子法式、PWM調制子法式和體系監控和毛病處置子法式等。

  遏制各類反應旌旗燈號的檢測是組成雙閉環節制的條件。地位旌旗燈號、電流旌旗燈號的檢測別離由地位檢測間斷辦事法式和電流檢測間斷辦事法式來完成,轉速的檢測經由進程軟件計較直接取得。為了進步體系的靜態機能和穩態精度。其節制環路簡圖如圖4所示。


  圖4電流和速率節制環路


  PWM調制子法式按照檢測到的轉子地位旌旗燈號和電流旌旗燈號經由進程事務辦理器(EV)發生PWM調制旌旗燈號。經由進程按時器節制寄放器TxCON中的位形式將通用按時器的計數形式設置為延續增/減計數形式以發生對稱的PWM波形。

  2.4機電的啟動計劃

  因為直流無刷機電在運動及低速運轉時難以準確檢測反電勢旌旗燈號,是以必須處理機電在運動狀況下啟動的題目。以往曾有多種啟動方式,但有的要增添龐雜的啟動電路,有的則要與機電特征接洽緊密親密,,完成起來難度較大、且靠得住性較低。

  本體系接納三段式的方式純真操縱軟件來完成機電啟動,將機電的啟動進程分為預約位、強迫運轉與同步切換三個階段。在機電運動時,轉子的初始地位未知,須要給設定的兩相電樞繞組通以長久的電流,使轉子磁極不變在這兩相繞組分解磁場的軸線上,以此作為轉子磁極初始地位(即預約位)。而后按定、轉子磁極間準確的空間相位干系使響應的功率器件導通,并以牢固的時候遏制形式切換,在這段時候內反電勢幅值較小,不宜遏制過零檢測。

  3 嘗試成果

  將前述節制計劃操縱在直流變頻空調緊縮機體系上遏制嘗試考證,機電極對數為2,PWM載波頻次設為5kHz,最大輸出功率為2kW,調速規模為15~~110Hz。嘗試證實,該體系啟動安穩,調速節制體系實時性好,具備杰出的節制機能。圖5是無刷直流機電三相電壓的波形,圖6是無刷直流機電三相電流的波形,從波形圖中能夠看出,輸出波形具備較高的品質,從而標明該體系接納的節制戰略和算法的可行性和和適用性。


  圖5三相電壓波形


  圖6三相電流波形



  4 結語

  直流無刷機電具備效力高、功率密度大、功率因數高、體積小、節制精度高檔長處,其操縱規模很是普遍。直流無刷機電的節制手藝正在從傳統的有地位傳感器的閉環PID節制過渡到無地位傳感器的智能節制,其調速規模、轉矩脈動、體系魯棒性等機能都在不時進步。

  在充實操縱了TMS320LF240x的壯大實時計較才能和片內豐碩的集成器件的底子上,設想了基于DSP的無地位傳感器直流無刷機電的節制計劃,并給出了節制體系的軟、硬件規劃。該節制體系具備杰出的節制機能和調速機能,能夠取得較好的靜態特征和較高的穩態精度,運轉效力高,抗攪擾才能強,具備較高的現實操縱代價。

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