电机数字控制系统集成设计

无刷直流电机数字控制系统集成设计的分析摘要：本文以“正弦波原理”无刷直流电动机系统为例，分析电机数字控制系统的集成设计思想、原理、结构特点和驱动控制方法。

其中，驱动控制方法主要分传统的位置传感器和无位置传感器控制技术。

传统方法主要是采用基于TI公司的TMS320F2812 DSP控制系统，包括了硬件电路和软件电路的设计。

无位置传感技术这里主要介绍反电动势检测法，并且用基于数字信号控制器DSPIC30F6010的实例进行了分析总结。

1无刷直流电机的背景无刷直流电动机（Brushless DC Motor，以下简称BLDC）是指采用电子换相取代有刷直流电机的机械换相的电动机。

图1-1所示为一种无刷直流电机的横切面图，如图所示，它去掉了有刷直流电机的机械电刷，采用取而代之的霍尔传感器检测转子位置进行换相。

无刷直流电机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。

无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。

定子绕组霍尔传感器传感器磁体转子磁体转轴图1-1 一种无刷直流电机的横切面图无刷直流电动机凭借其高可靠性、高效率、调速方便、寿命长等特点在国际上己得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电动机将在未来几年内成为主导电动机，并逐步取代其他类型的电动机。

现在许多高档精密型产品都用无刷直流电机，日本的不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、心脏泵等领域[1-2]。

BLDC驱动控制方式分为有位置传感器式和无位置传感器式两种。

有位置传感器控制方式转速检测精度高，更容易检测出转子初始位置，转矩脉动较小，容易实现一些比较复杂的控制技术；无位置传感器省去了位置检测装置，降低成本，缩小驱动器的体积，容易实现与驱动器与电机的一体化。

随着检测技术和控制技术的发展，无位置传感器控制也能实现较高精度的转速控制，较优的启动性能和转矩脉动抑制。

2无刷直流电机数字控制系统发展现状无刷直流电动机的控制有别于有刷直流电动机或交流感应电机，它需要一些位置传感信息来选择正确的换流顺序。

传统的无刷直流电动机通过位置传感器信息来选择正确的换流顺序。

但是位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机小型化；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能。

另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。

针对位置传感器所带来的种种不利影响，为适应无刷直流电动机的进一步发展，无位置传感器控制技术应运而生。

近年来，无刷直流电动机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。

无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方式得到转子的位置信号、确定逆变器功率管的切换，进而对定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。

在无位置传感器的控制方式中，研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件的方法，构建转子状态量的检测电路。

由于可以直接测量到的一般只有相电压和相电流两个量，因此，国内外目前所提出的控制方法绝大部分是基于以上两个观测量的。

有多种算法可以实现无位置传感器控制。

反电势法和状态观测器法都能比较方便、直观的得到转速信号和位置信息，这两种方法也是目前使用最为广泛的控制方法。

尤其是反电势过零点检测法，其原理简单，易于实现，在无位置传感器直流无刷电机控制系统中得到了普遍的应用。

此外，国内外还提出了许多新的方法与技术，如涡流法，电流法以及矢量法等控制方法。

但这些方法实现起来难度较大，应用条件比较苛刻，只适用于特定的应用场合，因此应用不是很广泛。

智能控制包括矢量控制、模糊算法、人工神经元网络和专家系统等，是目前学术界研究的热点。

由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究。

其中，经典PID 控制与模糊算法结合所组成的Fuzzy-PID控制、人工神经元网络和模糊控制相结合的复合控制以及人工神经元网络与数字滤波相结合的自适应控制等控制方法代表着当前智能控制的研究方向。

无刷直流电动机控制器的使用经历了分立元件的模拟电路，专用集成电路和以微型计算机为核心的数模混合控制与全数字化控制几个阶段。

DSP器件的出现，使得电机控制系统的处理能力有了很大的提高。

DSP具有强大的运算能力，和普通的MCU相比，运算及处理能力增强了10~50倍，因此在其控制策略中可以使用先进的实时算法，如Kalman滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实时性。

近年来，国外一些大公司纷纷推出比MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)，如ADI公司的ADMC3xx 系列，TI公司的C2000系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。

它们都是将DSP内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片内，使设计的硬件成本大大降低且体积缩小。

从而使DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受。

目前，采用DSP实现无位置传感器控制成为电机控制研究的热点，低成本DSP无位置传感器无刷电动机，成为无刷直流电动机的发展方向。

集成控制芯片由于它的经济性也是广泛应用的方向。

3无刷直流电机的原理和结构特点3.1 无刷直流电机的运行原理一般的直流电动机由于电刷的换向，使得定子磁场在电机运行过程中始终保持与电枢磁场垂直从而产生最大转矩，使电机运转。

无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。

无刷电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。

随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电动机运转起来。

图3-1所示为无刷直流电动机的基本组成框图。

由电动机本体、位置检测电路、控制电路、功率驱动电路和电子换相电路（逆变器）五部分组成。

图3-1 无刷直流电机基本组成原理三相绕组无刷直流电机的绕组连接方式有三相星形连接和三相三角形连接，大部分场合采用三相全控电路方式。

三相全控方式又分为两两导通和三三导通两种方式，其中两两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，每一功率管导通120°电角度；三三导通方式是指每一瞬间均有三个功率管导通，每隔60°电角度换相一次，每个功率管通电180°电角度。

下面以两两导通方式为例，分析无刷直流电机的运行原理。

对于三相六状态120°导通方式，各功率管的导通顺序是T1T6、T3T6、T3T2、T5T2、T5T4、TIT4、…。

当转子位于如图3-2(a)所示位置时，导通功率管TIT6，电流经Tl管，从A相流入，再从C相流出，经T6回到电源，此时在电机定子绕组中产生如图3-2(b)所示的电枢磁场，该磁场和转子磁场相互作用，使转子顺时针旋转，直至转子转至如图3-2(c)所示位置关断功率管T1，开通功率管T3，电流经B相流入，C相流出，再经T6回到电源，产生如图3-2(d)所示合成磁场，使电机继续顺时针旋转，这样在TIT6、T3T6、T3T2、T5T2、T5T4、T1T4、…的循环轮流导通下，转子不断连续的顺时针旋转。

改变各功率管的导通顺序，就可以改变电机的旋转方向。

a)b)c) d) 图3-2 无刷直流电机定转子旋转磁势图3.2 永磁无刷直流电机的结构特点永磁无刷直流电机实质上可以看作是一台用电子换向器取代机械换向的有刷直流电机。

有刷直流电机电枢绕组的导通逻辑是通过机械换向器与电刷的相互配合，使转子电枢线圈在不同磁极下的作用力保持一致，使得电机稳定运行。

在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。

要使永磁无刷直流电机的转子所受的电磁力保持一致，就必须根据每个时刻转子磁极位置来确定电枢绕组的导通逻辑，所不同的是，此时电枢绕组是安装在定子上，其本身不能旋转，要通过电子换向装置变换其导电顺序及分配导通规律。

直流无刷电动机一般由控制器、转子位置检测器和电动机本体三部分组成（如图3-3所示），控制器一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。

工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机，实现机电能量的转换。

图3-3 永磁无刷直流电机系统框图如图3-4所示，永磁无刷直流电动机的控制系统由主回路，永磁无刷直流电机本体，转子的位置传感器，三相逆变电路，驱动电路，和计算机控制系统组成，其中计算机控制系统包括典型的转速、电流双闭环、PWM生成器等。

图3-4无刷直流电机控制系统的拓扑结构4 无刷直流电机的控制方法由以上的简单分析看来，无刷直流电机根据它的运行原理和结构特点，可以有很多的控制方法。

而区分各种控制系统方法的关键主要是位置信号检测技术。

无刷直流电机转子位置信号的检测主要有两种方式：一种是通过传感器检测位置信号；另一种则是无位置传感器检测位置信号。

4.1有位置传感器检测的控制方法如图4-1所示的就是，用霍尔位置传感器检测无刷直流电机位置信号的一个典型的控制系统框图。

永磁无刷电机控制系统的硬件主要由控制和功率驱动两大部分组成。

控制部分主要包括控制核心、外设接口电路、电流电压采样电路等。

功率驱动部分包括辅助电源、集成功率模块（Integrate Power Module, IPM)、功率保护电路等。

48V 图4-1 无刷直流电机控制系统硬件框图上图的控制系统是采用TI 公司的TMS320F2812 DSP 作为数字控制系统，作为数字处理能力十分强大的这款芯片完全可以满足无刷直流电机的控制精度和要求。

传统的控制方法就是利用DSP 来进行的，已经有很多的论文运用了这一技术。

再通过具体的参数要求进行控制系统的硬件设计和软件设计，就完成了控制系统的设计。

硬件设计主要包括：电源模块、串行通信模块、采样电路设计、功率器件及其驱动电路、辅助电源、系统保护电路等；控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分配合才能构成一个完整的控制系统。