無霍爾無刷直流電機電流環系統設計與實現

中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 張立文 郭同健 付云博 曹策

無霍爾傳感器無刷直流電機具有體積小、成本低、壽命長、安裝簡單等優點，在工業自動化、軍工航天等眾多領域中應用越來越廣泛。電流環是無刷直流電機控制中關鍵的一環，對于維持恒定力矩輸出起到重要作用，如何設計出動態和穩態性能好、帶寬高的數字電流環是無刷直流電機控制的重點。本文設計了一種基于DSP2812數字信號處理器的無霍爾無刷直流電機電流環控制系統，重點解決無霍爾無刷直流電機電流環設計中的電角度精確標定、電流環建模與參數設計、系統軟硬件實現等內容，在實際工程項目中取得了良好的應用效果。

無刷直流電機（BLDC）是指無電刷和換向器的電機，具有體積小、重量輕、調速性能好、壽命長、效率高等優點，應用越來越廣泛。相比傳統的有霍爾傳感器的無刷直流電機，無霍爾無刷直流電機具有體積小、成本低、可靠性高等優點，電機線由8根減少到3根，安裝簡單，已被廣泛應用于在工業自動化、軍事對抗、航空航天等眾多領域。電流環是無刷直流電機控制中的關鍵一環，電流環主要用于調節電機電流，維持恒定力矩輸出，減小轉矩波動，還具有限制啟動電流以提高系統安全性以及增加系統的抗干擾能力等作用。本文從工程應用角度出發，設計了一種基于DSP2812數字信號處理器的無霍爾BLDC電流環控制系統。

1 電流環控制算法設計

1.1 矢量控制策略

無刷直流電機控制采用SVPWM空間矢量控制，空間矢量控制法將360°的電壓空間分為6個扇區，利用6個基本有效矢量和2個零量的不同組合可合成360°內的任何矢量[1]，電壓空間矢量圖如圖1所示。當采用SVPWM空間矢量控制時，需要進行空間坐標變換（即Clarke和Park變換，及相應的反變換），實現abc三相靜止坐標系、α-β兩相靜止坐標系、d-q兩相旋轉坐標系之間的坐標轉換，坐標變換需要用到電角度，電角度θ就是隨時間變化的d軸和α軸之間的夾角。

圖1 電壓空間矢量圖Fig.1 Voltage space vector diagram

無刷直流電機的電流環控制采用矢量控制策略，其工作原理如圖2所示。采樣得到的電機三相電流Ia、Ib、Ic經過Clark變換和Park變換后得到旋轉坐標系下的Iq、Id，Iq和Id分別與輸入的電流設定值相減計算得到電流誤差值，q軸電流誤差值經q軸電流調節器校正后得到q軸電壓Uq，d軸電流誤差值經d軸電流調節器校正得到d軸電壓Ud，然后Uq和Ud進行反Park變換得到兩相靜止坐標系下的Uα和Uβ，Uα和Uβ再經過SVPWM算法得到Ua, Ub, Uc，從而控制無刷直流電機轉動[2]。

圖2 電流環工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of current loop

系統控制采用的無刷直流電機的主要參數如表1所示。

表1 電機參數表Tab.1 Motor parameters

1.2 機械角度和電角度標定

電流環矢量控制中，坐標轉換需要用到電角度，因此電角度的標定對于無刷電機的正常運轉至關重要。無刷直流電機的電角度和機械角度之間存在以下關系：

電角度 = 機械角度×電機極對數

對于有霍爾元件的無刷電機，電角度通過霍爾傳感器檢測得到，而對于無霍爾傳感器的無刷電機，電角度標定多采用反電動勢法[3]。反電勢法主要是通過檢測電機的反電動勢來獲取轉子的位置信號，檢測精度不高，當PWM占空比很小時，電機轉速較低，反電動勢也會很小，因此檢測的精度會受到限制。

本文采用外接編碼器的方式精確標定電機電角度，非常適合于具有編碼器的高精度定位的應用場合。具體標定方法是按照空間電壓矢量狀態100、110、010、011、001、101的順序給電機的三相依次通電，電機會每次轉動一定角度，記錄下每一步機械角度（編碼器值）的角度變化，再根據電角度和機械角度的對應關系，即可推算出電角度值，為提高標定精度，可采取多點測量取平均值的方式進行標定處理。

1.3 電流環控制參數設計

無刷直流電機的電流環簡化動態結構圖如圖3所示。

圖3 電流環動態結構簡化圖Fig.3 Simplified dynamic structure diagram of current loop

其中，Tε為小時間常數的近似和，Tl為電機的電氣時間常數，ACR為電路環調節器，ACR調節的目的是消掉控制對象中的大時間常數極點[4]，將系統校正成典型I型系統。

由于q軸和d軸電流環控制方法類似，本文以q軸電流環為例進行說明。根據電機參數，經計算及實際系統參數辨識可得到電機q軸電流環被控對象的傳遞函數為：

將q軸電流環調節器的傳遞函數設計為：

根據Matlab軟件仿真，q軸電流的開環頻率特性曲線如圖4所示，開環截止頻率為1370rad/s，相位裕度為74.7°，滿足系統穩定性要求[5]。

圖4 電流環的開環頻率特性曲線Fig.4 Open loop frequency characteristic curve of current loop

2 系統軟硬件設計實現

2.1 系統硬件設計

系統硬件采用TMS320F2812數字信號處理器作為核心，該處理器內部集成了SCI、ADC、PWM等豐富的增強型外設資源[6]，適合用于電機控制系統的核心處理器。系統硬件電路設計的結構框圖如圖5所示。

圖5 系統硬件電路結構框圖Fig.5 System hardware circuit structure block diagram

使用電流傳感器采集電機電流，利用DSP處理器內部的AD模塊進行采樣，利用ADC的外部觸發能力進行采樣點控制，在PWM載波的起始點和中間點時采樣出的電流紋波最小，最接近真實電流，因為Ia+Ib+Ic=0，故直接采樣其中兩相電流即可，第三相可通過計算得到，另外在電流采集電路設計時，需加信號調整電路進行電壓調整，同時為減小電流噪聲，增加濾波電容對電流進行濾波。

系統選用18位絕對式光電編碼器，利用485串口采集編碼器數據，對于具有位置環和速度環的控制系統，編碼器值可直接用于位置環的位置反饋值，編碼器值經微分測速可用于速度環的速度反饋值。電機驅動器選用三相橋式MOSFET智能集成型控制器，它具有欠壓鎖定保護、可編程死區時間控制、低電平有效使能關斷控制等功能，利用DSP2812內部的PWM模塊產生6路PWM信號，PWM信號經光耦隔離后輸出至電機驅動器功率驅動器的6個功率開關的控制橋臂，通過控制功率開關的導通與關閉驅動無刷直流電機轉動。

2.2 系統軟件設計

系統軟件基于DSP2812進行設計，采用C語言進行程序編程，軟件設計流程框圖如圖6所示。

圖6 軟件程序設計流程圖Fig.6 Software programming flow char

電流環采樣頻率選取為10kHz，電流環的控制算法實現時，需要將電流調節器的模型進行離散化處理[7]，電流環調節器的離散化采用增量式PI調節器[8]，增量式PI調節器的離散化公式為：

其中，Kp為比例系數，Ki為積分系數。

3 實驗結果

完成了系統軟硬件設計和系統搭建后，可進行實驗驗證，電流閉環后對輸入值為0.5A的電流跟隨效果如圖7所示，可以看到，電流環動態跟蹤性能良好，超調量小于9%，跟蹤精度小于20mA，電流閉環的動態和問題性能良好，電流環閉環帶寬可達300Hz。

圖7 電流跟隨實驗效果圖Fig.7 Effect drawing of current following experiment

4 結語

本文根據實際工程項目需求，設計并實現了一種無霍爾傳感器的無刷直流電機電流環控制系統，重點解決了利用編碼器進行無霍爾無刷電機控制中的機械角度到電角度的精確標定問題，實現了數字電流環的系統建模和參數設計仿真，實現了SVPWM矢量控制算法進行無刷電機控制，并完成了基于數字信號處理器的無刷電機電流環硬件控制系統設計和軟件算法設計，經實驗測試和數據分析，系統工作穩定可靠，電流環的動態和穩態特性良好，電路環系統帶寬可達300Hz，電機輸出力矩平穩，系統已在實際工程項目中得到了很好的應用。

引用

[1] 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 龔金國.基于DSP的無刷直流電機數字控制系統的研究與設計[D].西安:西安理工大學,2005.

[3] 陳自然,趙有祥,劉小康,等.基于檢測單元的永磁同步直線電機位置檢測新技術[J].儀器儀表學報,2020,12(41):48-54.

[4] 譚建成.永磁無刷直流電機技術[M].北京:機械工業出版社,2011.

[5] 李曉東.MATLAB R2016a控制系統設計與仿真35個案例分析[M].北京:清華大學出版社,2018.

[6] 董勝.DSP技術及應用[M].北京:北京大學出版社,2013.

[7] 胡松濤.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2007.

[8] 龔金國.基于DSP的無刷直流電機數字控制系統的研究與設計[D].西安:西安理工大學,2005.