基于反电势滤波方法的无传感器BLDCM控制_张淑艳
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1 反电势滤波控制方法概述
反电势检测 控制法的基本 原理是在忽略 永磁 无刷直流电动机 电枢反应影响的 前提下, 通 过检 测 / 断开相 0的反电势过零点, 按照一定 规则作适 当延迟后得到功 率器件正确触发 时刻, 再按 照电 机的运转方向以一定次序来轮流触发六个功率管, 即可实现对无传感器 BLDCM 的控制 [ 1, 6 ] 。由此可 见, 如何给出一个 可精确识 别过零点 的算法, 从 而估计转子位置, 使电机绕组 在正确的时间 进行 换相是实现 BLDCM 控制的关键。
Science and techno logy, Shangha,i 200237)
Abstract: In order to detect the rotor posit ion of the senso rless brushless DC mo tor ( BLDCM ), circu it of rotor position detection was used genera lly. Th is paper propound a BLDCM control algor ithm, it cou ld prec lude the need for c ircu it of rotor position detection, im plem ented using the d ig ital signal processo r ( DSP ) TM S320LF2407A. T he algorithm works by d ig itally filtering the back-e lectromo tive force ( backEMF ) on each phase of the m otor and can iden tify the zero-cross event accurately and determ ining when to comm utate the m oto r w ind ings based on the filtered back-EM F signals. T he experim en tal result demonstrates the proposed con tro l m ethod provides desirab le perform ance. K ey W ords: Back-electrom o tive force filtering; B rush less DC m oto r; Sensorless contro;l D igita l signa l processor ( DSP)
2010年第 43卷第 5 期
基于反电势滤波方法的无传感器 BLDCM 控制
张淑艳, 王行愚, 姚晓东
(华东理工大学 信息科学与工程学院, 上海 200237)
摘 要: 目前应用于无传感器 BLDCM 的控制方法都是采用位置检测电路来间接获得转子位置信息,
实现对 BLDCM 的控制。该文提出一种可以省掉位置检测电路的基于反电势滤波的方法, 可以准确获
图 2显示了对 U ( A )、V ( B) 两相进行采样得到 的反电势信号, 其中, 浅色 为实际的反电势信号, 虚线为理想反电势, 实线为对低速区间反电势信号 进行 滤 波 的 结 果。由 图 2 可 以 看 出, 滤 波 后 的 BEMF 信号没有了实际反电 势信号中的高频部分, 信号干净、清晰, 利于反电势过零检测, 但是存在 不超过 30b电角度的相位延迟, 该相位延迟可以通过 上述的 T im er3周期寄存器来补偿, 这样就可以实现 BLDCM 控制的正确换相。
在实际情 况下, 在断开 区间段反电 势存在以 下噪声: 一是耦合来 自导通区 间段的噪 声, 二是 绕组的 PWM 驱 动信 号耦合 到绕 组的 BEM F 信号 上。这些噪声会使位 置检测信 号出错, 导致电机 无法正常运 转。因此, 需要寻找 一种有 效的方法 来获取可靠的反电势过零点。
本文提出的基于 反电势滤波的过 零点检测方 法, 省掉了位置检测 电路, 直接 将分压 后的反电 势信号送入 DSP 芯片 ADC 端口, 然后对反电势信 号进行采样, 随后通 过软件滤波的方 法对反电势 信号进行处 理, 获取 准确的反 电势过零 点, 再对 其进行适当的滤波延迟 补偿, 最终得 到正确的换 向时 刻, 实 现 无 传 感 器 BLDCM 的 控 制。 基 于 DSPTM S320LF2407A 平台的反电势滤波方法的无传 感器 BLDCM 控制系统的原理框图如图 1所示。
以往的反电 势过零点检测 都是通过位置 检测
基于反电势滤波方法的无传感器 BLDCM 控制 张淑艳, 等
电路来实现 的, 一般 由隔离、滤 波和比 较三个环 节构成, 位置检测电路得到的反电势信号送入 DSP 的捕获引脚, 根据一 定的规则 产生换向 信号, 控 制功率管的导通与关断, 驱动电机运行。
0引 言
目前, 应用 于 无传 感器 BLDCM 控 制 的方 法 很 多, 如 反 电 势 ( Back - E lectrom o tive Forces, BEM F ) 检测法、定子绕组电感法、速度无关位置 函数法、基于扩展卡尔曼滤波器 ( EKF ) 的状态观 测器法、智能化 控制 方法 ( 模 糊控 制、 神经 网络 控制以及小波 神经 网 络控 制等 ) 等等 [ 1] , 这些方 法都是以位置检测电路 为基础的, 不 仅增加了电 路的复杂性 和成本, 也增大了 控制板的 体积, 因 此本文提出不需要位置检测电路的基 于反电势滤 波的方法 [ 2-3] , 只需要几个电阻将反电势信号限制 在 TM S320LF2407A 芯片的 AD 采样模块的工作电 压范围内。该方法电 路实现简 单可靠, 而且能够 获得准确的反电势过零 点, 可以代替 传统的位置 检测电路获取转子位置信息。
得反电势过零点, 驱动 BLDCM 平稳运行。基于 TM S320LF2407A的控制平台进行实验, 结果证明了该
方法的有效性。
Hale Waihona Puke Baidu
关键词: 反电动势滤波; 无刷直流电机; 无传感器控制; 数字信号处理器 ( DSP)
中图分类号: TM 36+ 1
文献标志码: A
文章编号: 1001- 6848( 2010) 05- 0066-04
( 1) 采取增加采样频率的方法来增加获得的反 电势信号的信息。因 为在低速区间不 需要很高的 采样频率即 可以获得满足 要求的 BEMF 信号的信 息, 如果在高速区间 依然采用同低速 区间相同的 采样频率, 则会造成在每个 60b电角度区间内采样 到的 BEMF 信号过少, 会产生一定的误差。
( 2) 在高速区间只对一 相电枢绕组进行采样。 因为在高速区间内反电 势信号的斜率 加大, 可以 准确获得过零点, 因 此释放一定的带 宽用于增加 采样频率, 从而增加过零点检测的准确性。
Sen sor less BLDCM Control Based on Back-EM F Filter ing
ZHANG Shu-yan, WANG X ing-yu, YAO X iao-dong
( Schoo l o f Inform a tion Sc ience & Eng ineering, East Ch ina U niversity o f
( 4) 采取 / 提前移除 0的办法解决高速区间反电 势信号中存在的电压尖峰。也就是, 在 AD 采样时 忽略每一个 60b区间开始时刻的采样值, 这样就可
# 68 #
以避免电压尖峰对过零点的影响。 依然是 2 对极 电机, IIR 滤波 器 的参 数设 计
为: 通带截止频率为 8 kH z, 通带最大衰减 1 dB, 阻带截止频率为 15 kH z, 阻带最小衰减为 30 dB, 阶数 N = 7。
( 3) 采取以 90b电角度为基准的换相时刻控制。 因为随着转速的增加, 滤波信号的过零点比实际过 零点滞后超过 30b电角度, 也就是说当检测到过零点 时已经过了一个换相时刻, 而只能在下一个换相时 刻进行换相, 所以相当于算法提前了 90b电角度。
即: 用 T im er1 测量一相上的两个过零点之间 所消耗 的 时 间, 相 当 于 180b电 角 度。 然 后设 置 T im er3, 设置方法将 T 30改为 T 90即可, 当 T im er3发 生中断时, 电机绕组执行换相。
由于反电 势信号与电机转 速成正比, 在低速
收稿日期: 2009-03-02
# 66 #
和静止情况下, 反 电势信号 很小或者 没有, 在 这 种情况下找到过 零点是非常困难 的, 而在高 速区 域反电势 信号 幅值 较大, 寻 找过 零点 相对 容易, 但是随着 转速 的提 高, 相位 延迟 也会 越来 越大, 因此给换相时刻的确定带来困难 [ 4-6] , 本文将详细 讨论以上两个问 题, 并给出基 于反电势滤波 方法 的无传感器 BLDCM 控制实验结果。
其中 T im er1用于测量从一个过零点到下一个过 零点所消耗的时间, 该时间相当于一个 60b电角度, 如果在检测过零点时没有相位延迟, 那么下一次换 相将在经过 30b电角度时发生。此时间可以由 T imer1/ 2得到。但是实际情况中, 并不总是在这样理想 的情况下发生换相, 实际的换相时刻 T im er3应该由 30b电角度的时间减去各种相位延迟时间之后的时刻 决定, 随后启动 T im er3并允许 T im er3中断[ 8] 。中断 发生时, 电机绕 组换相到 下一状 态。换相时 刻由 T im er3的周期寄存器值决定, 即:
图 2 低速区间的反电势及滤波结果
图 3 显示了低速区间基于反电势滤波方法的 BLDCM 控制软件流程图。
# 67#
2010年第 43卷第 5 期
图 3 低速区 BLDCM 控制软件流程图
3 高速区间的反电势滤波控制方法
在高速区间反电 势信号具有由感 应冲击产生 的幅值较大的电压尖峰, 在这个电压 尖峰的影响 下极容易产生反电势过 零点的错误判 断, 导致电 机换相错误 甚至失步。而且随 着转速的 增加, 换 相频率会不断加快, 滤波器造成的相 位延迟会相 对加大, 造成在下一 个换相点之后才 检测到过零 点信息, 因此, 本文采 取以下措 施来解 决以上这 两个问题。
针对这 种 情 况, 本 文 采 取 的 方 法 是: 对 U ( A ) 、V ( B )、W ( C ) 三 相同时进行连 续采样, 获 得这三个采样结果之后, 将会产生一个 ADC中断, 然后这些采样被送至三个相同的 IIR 滤波器, 产生 三个滤波采样, 将该 采样值与过零阈 值进行比较 来确定过零点。
PR 3= T 30 - D FILT - D PROC - D PA 其中, PR3为 T im er3周期寄存器 的值, 也就 是对 应换相时刻的值; T 30计算得到的转过 30b电角度的 值; D FILT 为 低 速 滤波 器 相 位 延 迟; D PROC 为 低 速 ADC 中断处理延迟; D PA为相位超前角。
上述方法的滤波采用的是 IIR 滤波, 滤波器参 数由电机的极对 数和转速决定, 随着电机转 速由 低速区间过渡到高速区间, IIR 滤波器的参数设计 也将改变。
本文所用电机为 2对极, 那么在低速区间 IIR 滤波器的参 数设计 为: 通 带截 止频 率为 400 H z, 通带最大衰减 1 dB, 阻带截止频率为 800 H z, 阻带 最小衰减为 30 dB, 阶数 N = 6。
图 1 BLDCM 控制系统原理框图
电机低速和 高速 时反 电势 的特 征差 别较 大, 因此反电势滤波控制方 法不同, 下面 具体介绍低 速区间反电势滤波控制方法和高速区 间的反电势 滤波控制方法。
2 低速区间的反电势滤波控制方法
由于低速 区间的反电势 幅值较小 [ 7] , 因此某 一相断开区间的反电势 信号的斜率也 比较小, 再 加上各种噪声对它的影 响, 使得在断 开区间检测 到虚假过零点信号的概率较大。
反电势检测 控制法的基本 原理是在忽略 永磁 无刷直流电动机 电枢反应影响的 前提下, 通 过检 测 / 断开相 0的反电势过零点, 按照一定 规则作适 当延迟后得到功 率器件正确触发 时刻, 再按 照电 机的运转方向以一定次序来轮流触发六个功率管, 即可实现对无传感器 BLDCM 的控制 [ 1, 6 ] 。由此可 见, 如何给出一个 可精确识 别过零点 的算法, 从 而估计转子位置, 使电机绕组 在正确的时间 进行 换相是实现 BLDCM 控制的关键。
Science and techno logy, Shangha,i 200237)
Abstract: In order to detect the rotor posit ion of the senso rless brushless DC mo tor ( BLDCM ), circu it of rotor position detection was used genera lly. Th is paper propound a BLDCM control algor ithm, it cou ld prec lude the need for c ircu it of rotor position detection, im plem ented using the d ig ital signal processo r ( DSP ) TM S320LF2407A. T he algorithm works by d ig itally filtering the back-e lectromo tive force ( backEMF ) on each phase of the m otor and can iden tify the zero-cross event accurately and determ ining when to comm utate the m oto r w ind ings based on the filtered back-EM F signals. T he experim en tal result demonstrates the proposed con tro l m ethod provides desirab le perform ance. K ey W ords: Back-electrom o tive force filtering; B rush less DC m oto r; Sensorless contro;l D igita l signa l processor ( DSP)
2010年第 43卷第 5 期
基于反电势滤波方法的无传感器 BLDCM 控制
张淑艳, 王行愚, 姚晓东
(华东理工大学 信息科学与工程学院, 上海 200237)
摘 要: 目前应用于无传感器 BLDCM 的控制方法都是采用位置检测电路来间接获得转子位置信息,
实现对 BLDCM 的控制。该文提出一种可以省掉位置检测电路的基于反电势滤波的方法, 可以准确获
图 2显示了对 U ( A )、V ( B) 两相进行采样得到 的反电势信号, 其中, 浅色 为实际的反电势信号, 虚线为理想反电势, 实线为对低速区间反电势信号 进行 滤 波 的 结 果。由 图 2 可 以 看 出, 滤 波 后 的 BEMF 信号没有了实际反电 势信号中的高频部分, 信号干净、清晰, 利于反电势过零检测, 但是存在 不超过 30b电角度的相位延迟, 该相位延迟可以通过 上述的 T im er3周期寄存器来补偿, 这样就可以实现 BLDCM 控制的正确换相。
在实际情 况下, 在断开 区间段反电 势存在以 下噪声: 一是耦合来 自导通区 间段的噪 声, 二是 绕组的 PWM 驱 动信 号耦合 到绕 组的 BEM F 信号 上。这些噪声会使位 置检测信 号出错, 导致电机 无法正常运 转。因此, 需要寻找 一种有 效的方法 来获取可靠的反电势过零点。
本文提出的基于 反电势滤波的过 零点检测方 法, 省掉了位置检测 电路, 直接 将分压 后的反电 势信号送入 DSP 芯片 ADC 端口, 然后对反电势信 号进行采样, 随后通 过软件滤波的方 法对反电势 信号进行处 理, 获取 准确的反 电势过零 点, 再对 其进行适当的滤波延迟 补偿, 最终得 到正确的换 向时 刻, 实 现 无 传 感 器 BLDCM 的 控 制。 基 于 DSPTM S320LF2407A 平台的反电势滤波方法的无传 感器 BLDCM 控制系统的原理框图如图 1所示。
以往的反电 势过零点检测 都是通过位置 检测
基于反电势滤波方法的无传感器 BLDCM 控制 张淑艳, 等
电路来实现 的, 一般 由隔离、滤 波和比 较三个环 节构成, 位置检测电路得到的反电势信号送入 DSP 的捕获引脚, 根据一 定的规则 产生换向 信号, 控 制功率管的导通与关断, 驱动电机运行。
0引 言
目前, 应用 于 无传 感器 BLDCM 控 制 的方 法 很 多, 如 反 电 势 ( Back - E lectrom o tive Forces, BEM F ) 检测法、定子绕组电感法、速度无关位置 函数法、基于扩展卡尔曼滤波器 ( EKF ) 的状态观 测器法、智能化 控制 方法 ( 模 糊控 制、 神经 网络 控制以及小波 神经 网 络控 制等 ) 等等 [ 1] , 这些方 法都是以位置检测电路 为基础的, 不 仅增加了电 路的复杂性 和成本, 也增大了 控制板的 体积, 因 此本文提出不需要位置检测电路的基 于反电势滤 波的方法 [ 2-3] , 只需要几个电阻将反电势信号限制 在 TM S320LF2407A 芯片的 AD 采样模块的工作电 压范围内。该方法电 路实现简 单可靠, 而且能够 获得准确的反电势过零 点, 可以代替 传统的位置 检测电路获取转子位置信息。
得反电势过零点, 驱动 BLDCM 平稳运行。基于 TM S320LF2407A的控制平台进行实验, 结果证明了该
方法的有效性。
Hale Waihona Puke Baidu
关键词: 反电动势滤波; 无刷直流电机; 无传感器控制; 数字信号处理器 ( DSP)
中图分类号: TM 36+ 1
文献标志码: A
文章编号: 1001- 6848( 2010) 05- 0066-04
( 1) 采取增加采样频率的方法来增加获得的反 电势信号的信息。因 为在低速区间不 需要很高的 采样频率即 可以获得满足 要求的 BEMF 信号的信 息, 如果在高速区间 依然采用同低速 区间相同的 采样频率, 则会造成在每个 60b电角度区间内采样 到的 BEMF 信号过少, 会产生一定的误差。
( 2) 在高速区间只对一 相电枢绕组进行采样。 因为在高速区间内反电 势信号的斜率 加大, 可以 准确获得过零点, 因 此释放一定的带 宽用于增加 采样频率, 从而增加过零点检测的准确性。
Sen sor less BLDCM Control Based on Back-EM F Filter ing
ZHANG Shu-yan, WANG X ing-yu, YAO X iao-dong
( Schoo l o f Inform a tion Sc ience & Eng ineering, East Ch ina U niversity o f
( 4) 采取 / 提前移除 0的办法解决高速区间反电 势信号中存在的电压尖峰。也就是, 在 AD 采样时 忽略每一个 60b区间开始时刻的采样值, 这样就可
# 68 #
以避免电压尖峰对过零点的影响。 依然是 2 对极 电机, IIR 滤波 器 的参 数设 计
为: 通带截止频率为 8 kH z, 通带最大衰减 1 dB, 阻带截止频率为 15 kH z, 阻带最小衰减为 30 dB, 阶数 N = 7。
( 3) 采取以 90b电角度为基准的换相时刻控制。 因为随着转速的增加, 滤波信号的过零点比实际过 零点滞后超过 30b电角度, 也就是说当检测到过零点 时已经过了一个换相时刻, 而只能在下一个换相时 刻进行换相, 所以相当于算法提前了 90b电角度。
即: 用 T im er1 测量一相上的两个过零点之间 所消耗 的 时 间, 相 当 于 180b电 角 度。 然 后设 置 T im er3, 设置方法将 T 30改为 T 90即可, 当 T im er3发 生中断时, 电机绕组执行换相。
由于反电 势信号与电机转 速成正比, 在低速
收稿日期: 2009-03-02
# 66 #
和静止情况下, 反 电势信号 很小或者 没有, 在 这 种情况下找到过 零点是非常困难 的, 而在高 速区 域反电势 信号 幅值 较大, 寻 找过 零点 相对 容易, 但是随着 转速 的提 高, 相位 延迟 也会 越来 越大, 因此给换相时刻的确定带来困难 [ 4-6] , 本文将详细 讨论以上两个问 题, 并给出基 于反电势滤波 方法 的无传感器 BLDCM 控制实验结果。
其中 T im er1用于测量从一个过零点到下一个过 零点所消耗的时间, 该时间相当于一个 60b电角度, 如果在检测过零点时没有相位延迟, 那么下一次换 相将在经过 30b电角度时发生。此时间可以由 T imer1/ 2得到。但是实际情况中, 并不总是在这样理想 的情况下发生换相, 实际的换相时刻 T im er3应该由 30b电角度的时间减去各种相位延迟时间之后的时刻 决定, 随后启动 T im er3并允许 T im er3中断[ 8] 。中断 发生时, 电机绕 组换相到 下一状 态。换相时 刻由 T im er3的周期寄存器值决定, 即:
图 2 低速区间的反电势及滤波结果
图 3 显示了低速区间基于反电势滤波方法的 BLDCM 控制软件流程图。
# 67#
2010年第 43卷第 5 期
图 3 低速区 BLDCM 控制软件流程图
3 高速区间的反电势滤波控制方法
在高速区间反电 势信号具有由感 应冲击产生 的幅值较大的电压尖峰, 在这个电压 尖峰的影响 下极容易产生反电势过 零点的错误判 断, 导致电 机换相错误 甚至失步。而且随 着转速的 增加, 换 相频率会不断加快, 滤波器造成的相 位延迟会相 对加大, 造成在下一 个换相点之后才 检测到过零 点信息, 因此, 本文采 取以下措 施来解 决以上这 两个问题。
针对这 种 情 况, 本 文 采 取 的 方 法 是: 对 U ( A ) 、V ( B )、W ( C ) 三 相同时进行连 续采样, 获 得这三个采样结果之后, 将会产生一个 ADC中断, 然后这些采样被送至三个相同的 IIR 滤波器, 产生 三个滤波采样, 将该 采样值与过零阈 值进行比较 来确定过零点。
PR 3= T 30 - D FILT - D PROC - D PA 其中, PR3为 T im er3周期寄存器 的值, 也就 是对 应换相时刻的值; T 30计算得到的转过 30b电角度的 值; D FILT 为 低 速 滤波 器 相 位 延 迟; D PROC 为 低 速 ADC 中断处理延迟; D PA为相位超前角。
上述方法的滤波采用的是 IIR 滤波, 滤波器参 数由电机的极对 数和转速决定, 随着电机转 速由 低速区间过渡到高速区间, IIR 滤波器的参数设计 也将改变。
本文所用电机为 2对极, 那么在低速区间 IIR 滤波器的参 数设计 为: 通 带截 止频 率为 400 H z, 通带最大衰减 1 dB, 阻带截止频率为 800 H z, 阻带 最小衰减为 30 dB, 阶数 N = 6。
图 1 BLDCM 控制系统原理框图
电机低速和 高速 时反 电势 的特 征差 别较 大, 因此反电势滤波控制方 法不同, 下面 具体介绍低 速区间反电势滤波控制方法和高速区 间的反电势 滤波控制方法。
2 低速区间的反电势滤波控制方法
由于低速 区间的反电势 幅值较小 [ 7] , 因此某 一相断开区间的反电势 信号的斜率也 比较小, 再 加上各种噪声对它的影 响, 使得在断 开区间检测 到虚假过零点信号的概率较大。