基于軟件觀測器的無刷直流電機控制策略研究和實驗

顧加鵬 ，顧佳輝 ，任明樂 ，王保升 ， 李 寧

（1.南京工程學院，江蘇 南京 211167；2.智能制造裝備研究院，江蘇 南京 211167）

0 引言

根據勵磁磁勢的不同，三相永磁同步電機可以分為正弦波形永磁同步電機（PMSM），方波形永磁同步電機（BLDC）。按照傳統的技術，正弦波永磁同步電機，一般采用正弦波矢量控制技術，用于高精度的位置伺服控制，需要比較高精度的位置檢測器，如光電脈沖編碼器、旋轉變壓器等等[1]。無刷直流電機一般采用方波控制方式，只用于簡單的速度控制，僅僅裝有簡單的開關型霍爾位置檢測器，其直接檢測的精度只有60°電角度。無刷直流電機控制系統的主要優點是可靠，成本低，缺點是控制精度低，動態性能較差[3～5]。

本文為了克服傳統無刷直流控制系統中存在問題，在保留了傳統無刷直流電機控制系統優點的基礎之上，通過軟件觀測器實現對無刷直流電機轉角、速度、負載的準確檢測，實現無刷直流電機的正弦波矢量控[6～10]。

1 軟件觀測器的實現原理

該軟件觀測器的結構如圖1所示，該軟件觀測器實現的功能是實現對電機轉角、速度的準確檢測，檢測過程分為兩個部分：第一部分是通過對經過倍頻的霍爾輸出信號進行采樣，濾波得到轉角與轉速的計算值；第二部分是依據電機學的動力學特征，構建電機模型得到轉角與轉速的觀測。

圖1 軟件觀測器結構Fig.1 Structure of software observer

1.1 電機轉角與轉速的計算值

圖2 霍爾位置輸出信號Fig.2 Signal of hall position sensor

如圖2所示，無刷直流電機的位置信號是由三個安裝位置相隔120°電角度的開關型霍爾傳感器產生，其輸出信號為 Ha 、Hb、Hc，在每360°電角度內給出6個代碼，排列順序分別為101、100、110、010、011、001。

伊立替康（irinotecan）臨床上主要用于治療轉移性結直腸癌，但會伴隨急性膽堿能綜合征、中性粒細胞減少以及腸黏膜炎等副作用，嚴重限制了伊立替康的治療效果及臨床應用[1-2]。誘導腸上皮細胞凋亡是伊立替康產生胃腸道毒性的直接原因，伊立替康及其代謝產物SN-38與拓撲異構酶I結合引發DNA損傷，在發揮抗腫瘤作用的同時導致正常腸上皮細胞的凋亡從而產生炎癥[3]。臨床上常用洛哌丁胺、奧曲肽、醋托啡烷、布地奈德等作為伊立替康胃腸毒性治療藥物，但這些藥物本身會導致一定的毒性和致死率[4]，故近年來研究方向逐漸轉向具有多靶點多途徑的中藥減毒。

根據電機的動力學特征，構建出電機的轉角與速度觀測模型如式（5）和（6）所示：

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式中：k—循環采樣的次數，是電機轉角的第k次計算值，（k）是電機速度的第k次計算值，N（K）是第k次檢測到得位置脈沖總個數；P—電機磁極對數；T—檢測周期。將得到的電機轉角計算值和速度計算值，按照式（3）和式（4），進行低通濾波處理，得到電機的轉角值和速度值：

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式中：a1和a2是負載觀測器系數可離線計算得到。

1.2 電機轉角與轉速的觀測值

為了提高控制精度需要將Ha、Hb、Hc三路信號進行處理，一般的做法是將這三路信號進行倍頻處理[2]。本文中將以固定的檢測周期T，實時讀取經過倍頻以后的霍爾信號，實時記取脈沖的個數，通過式（1）和式（2）得到電機轉角的計算值速度計算值：

式中：θ （k）—電機轉角的第 k 次濾波輸出值；ω（k）—電機速度的第k次濾波的輸出值；α—濾波器系數，介于0和1之間，應當隨著速度的變化進行調整，電機的速度越低值應該越小，反之值應該變大。

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2 軟件觀測器在控制系統中應用

無刷直流電機控制系統結構圖如圖3所示，分為位置環，速度環和電流環，位置環以轉角觀測值為位置反饋信號θ*，位置給定信號與位置反饋信號相減而得到位置跟隨誤差，位置跟隨誤差經位置控制器，輸出速度環給定信號ω*，以速度觀測值為速度反饋信號，速度給定值ω*與速度反饋信號相減而得到速度誤差，速度誤差經速度控制器，輸出q軸電流給定信號iq*；檢測電機定子電流ia、ib，經過旋轉變換器形成交軸電流iq和直軸電流id；旋轉變換器的旋轉變換角度是，q軸電流的給定信號iq*與交軸電流iq相減而得到q軸的電流誤差，此誤差經q軸電流控制器，輸出交軸電壓 ，d軸電流的給定信號是0，直軸電流經d軸電流控制器，輸出直軸電壓ud，經逆變器形成電機定子，三相交流電壓參考信號 ua、ub、uc，再經 SVPWM 調制，用于控制主回路的逆變器，驅動電路。其中，速度調節器，q軸、d軸電流控制器均采用PI控制算法。

圖3 基于軟件觀測器的控制系統框圖Fig.3 Block diagram based on software observer

3 實驗研究

此策略已經運用在無刷直流電機驅動塞拉門的往復開關運動實驗中。此次實驗硬件電路由無刷直流電機，電源模塊，逆變器，處理器，電流傳感器等組成，如圖4所示，主回路采用交-直-交結構，以TMS320F28035為核心處理器，逆變器由智能功率模塊IRMAX20UP60A實現，定子電流采樣由兩只電流傳感器ACS712來實現，電流采集完畢后信號輸入到TMS320F28035的A/D轉換接口。圖3中的軟件觀測器、位置控制器、速度控制器、d軸電流控制器、q軸電流控制器、旋轉變換、逆旋轉變換等模塊均由軟件實現，SVPWM由TMS320F28035內部的硬件實現。圖5是實驗過程中實際測得的電機位移、轉速、輸出轉矩圖，圖6是電機轉速理論觀測值與實際測量值波形圖，通過對比發現實際測量值的波形與理論觀測值波形基本相同，取得了預期的效果。

圖4 控制系統硬件框圖設計Fig.4 Block diagram of hardware design

圖5 實際位移、轉速、轉矩Fig.5 Actual displacement,speed and torque

圖6 實際轉速與理論轉速Fig.6 Actual and theoretical speed

4 總結

本文將基于霍爾傳感器的傳統控制方法與無位置傳感器的控制方法相結合，在無刷直流電機正弦波矢量控制系統中成功應用，既解決了傳統控制方法精度不高的問題，也解決了無位置傳感器控制算法復雜，計算量大的問題；即保留了傳統無刷直流電機控制系統簡單可靠低成本的優點，也提高了控制精度和動態性能。

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