無刷直流電機電流測量的探究

楊晨娜

（西安職業技術學院，陜西西安,710032）

無刷直流電機電流測量的探究

楊晨娜

（西安職業技術學院，陜西西安,710032）

近幾年，無刷直流電機在工業控制領域的應用越來越廣泛，而有效的電流測量是控制方法實現的前提，也是提高控制性能的基礎。本文基于TMS320LF2407ADSP控制器，對無刷直流電機電流進行采樣，并利用二階巴特沃思低通濾波器進行濾波，得到較為平滑的電流，到達有效控制電機的目的。

無刷直流電機；電流；二階巴特沃思低通濾波器

0 引言

無刷直流電機采用電子換向取代機械換向，具有交流電機結構簡單、運行平穩、噪音小、維護方便等優點；同時具有直流電機線性機械特性、調速特性以及優良的控制性能；另外它損耗小、容量大、體積小、干擾小、壽命長等一系列優點。因此無刷直流電機的這種高性能系統將在工業自動化領域的運動控制中將扮演越來越重要的角色，但它的控制方法還不是很完善，現有的各種控制方法存在一些缺陷。本文對電流測量方面進行了研究。

1 DSP處理器

TMS320LF2407A芯片作為DSP控制器TMS320LF240X系列的新成員，是TMS320C2000TM平臺下的一種定點DSP芯片。該芯片將電機控制所必需的外圍電路(如A/D轉換器、位置/速度檢測倍頻計數器、PWM發生器等)與DSP內核集成于一體，是業界非常具有競爭力的數字電機控制器之一。并具有以下一些特點：供電電壓僅為3.3V，兩個事情管理器模塊EVA和EVB， 8個16位的脈寬調制（PWM）通道，10A/D轉換器等等。利用TMS320LF2407A的這些特點，可以實現伺服驅動系統的功能有：使用SCI模塊接收上層主機發出的參考輸入和控制命令、響應上層主機的查詢命令并反饋信息；使用AD模塊對流經電機的電流進行采樣和計算；使用QEP電路連接光電編碼器獲得電機的位置和速率等信息；控制算法的實施并將結果轉化為PWM信號的輸出；故障檢測和保護；CAN控制器模塊實現對系統的監控。

當采用DSP構成全數字伺服系統時，其所有控制功能可以由軟件實現，故有利于提高系統的可靠性，降低系統的成本，并且可以采用先進的現代控制策略，獲得更高的控制性能，完成數據存儲、故障診斷、故障冗余等功能，使伺服系統更趨于智能化。

2 電流采樣電路

電流的獲取采用單電流采樣，電路如圖1所示，主要由運算放大電路和隔離電路組成。兩級電路均采用最常用的LM324芯片，此芯片只需要單電源供電，供電電壓可以從3V～32V，這樣在給電路提供電源時帶來方便，而且性能穩定，電路簡單。第一級為放大電路，電壓信號從同相端輸入，在1端口輸出，輸出端口和反相輸入端由電阻R5連接，引入負反饋，運算放大器工作在線性區，所放大的倍數為（1＋R5/R4）。第二級為電壓跟隨器，起到隔離和匹配的作用，它也是同相輸入，由于同相輸入阻抗無窮大，在此采用R6電阻進行匹配。由于DSP所輸入的最大電壓為3.3V，

因此可以根據此電壓結合電機額定電流、采樣電阻設置相應的放大倍數。

圖1 采樣電阻與DSP的A/D連接電路

3 電流測量及數字濾波

利用TMS320LF2407A內部兩組獨立的10位模擬/數字轉換器ADC，將輸入的模擬電壓信號轉換為數字數據。在AD轉換過程中，以參考電壓為基準電源，于10位A/D轉換時形成1024位的電壓準位。且其轉換時間最少需要375ns。但是對于2407來說，快速的轉換時間(S/H+轉換)最快為500ns。

使用ADC模塊，可以完全滿足對流經電機的電流進行A/D轉換的要求。電流的測量值為相應通道的ADC轉換結果的高10位。

為了提高采樣結果的分辨率，可以對同一個通道進行多次采樣，即對該通道實行“過采樣”。另一方面，為了避免信號干擾的影響，減少不必要的電流調節過程，在電流閉環中引入了數字濾波器。使用DSP實現數字濾波器除具有精確度高、穩定性好等特點外，還具有靈活性好、不受環境影響等優點。

3.1 數字濾波器選擇

對于數字濾波器，根據實現方法進行分類，可分為無限脈沖響應（Infinite Impulse Response, IIR）濾波器和有限脈沖響應（Finite Impulse Response, FIR）濾波器之分。IIR數字濾波器的轉移函數是：

FIR數字濾波器的轉移函數是：

這兩類濾波器不管在設計方法上還是性能方面都有很大的區別。其中，采用IIR濾波器達到預期效果只需要較低的階數，但是它是一種遞歸形式，由于計算精度的原因在定點DSP上實現有可能會出現振蕩現象；而采用FIR濾波器就不會出現這一情況，它是一種非遞歸形式，總是穩定的，且具有嚴格的線性相移，在DSP上實現非常容易，它的缺點就是需要較大的存儲空間和較復雜的運算。

在本文的研究中，考慮到使用最低階次達到預期效果，而且算法不能太復雜，占用的存儲空間應該比較小，選用了IIR濾波器。通過幾種數字濾波器濾波效果的實驗比較，選擇了二階巴特沃思低通濾波器用于對電流測量值的濾波。

3.2 濾波器系數的確定

在選擇的數字濾波器中需要確定的參數有br和ak，只有選擇到合適的參數值才能得到最好的濾波效果。在調試過程中，參數的整定是一個比較復雜和繁瑣的過程。為了簡化設計過程，減少工作量，在這里使用MATLAB進行參數設計。

MATLAB的信號處理工具箱中提供了各種濾波器的設計函數。對于低通數字巴特沃思濾波器，調用格式為：

3.3 濾波器使用效果

電流環的采樣頻率是10kHz，從電流采樣波形上可以看出，截止頻率是250Hz。在MATLAB中調用式(3)可以得到：

在DSP中使用Q5格式表示浮點小數，從而可以實現運用MATLAB運算得出的系數在定點DSP中進行數字濾波運算。

4 實驗

本文中使用的Maxon無刷直流電機裝有一個減速比為49：4的行星齒輪減速箱，其型號為203115。額定電流5.24A，相間電阻0.518Ω，相間電感0.132mH，轉矩常數24.6mNm/A，速度常數389rpm/V，機械時間常數7.3ms，轉子慣量85gcm2。在給定速度為1000rpm的階躍響應情況下，當電機達到平穩時使用數字濾波器前后得到的電流采樣結果如圖2和圖3所示。圖2為使用濾波器前的電流響應情況，圖3為使用濾波器后的電流響應情況。

從圖中可以看出使用數字濾波器后能很好的濾除電流干擾量，達到平滑電流的效果，使電機的運轉更平穩，達到更為有效的控制。

圖2 濾波前電流曲線

圖3 濾波后電流曲線

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[6] 穆爾.MATLAB實用教程[M].北京:電子工業出版社,2010.1

Research on Current Measurement of Brushless DC Motor

Yang Chenna
（Xi’an Professional Technology College,Xi’an Shanxi,710032）

In recent years,brushless DC motor in industrial control field is applied more and more widely, and the current measurement is the premise to realize effective control method,and the basis to improve the control performance too.In this paper,based on the TMS320LF2407ADSP controller,sampling of the current free brush DC motor,and filtering by using two order Butterworth low-pass filter,a current smoother,effectively control the motor to reach.

brushless DC motor;current;two order Butterworth lowpass filter