基于DSP的BLDC调速控制器的设计 - 图文

本科毕业设计（论文）

题目 基于DSP的BLDC调速控制器的设计

学 院 电气与自动化工程学院 年 级 06级 专 业 自动化 班 级 1601061 学 号 160106128 学生姓名 张 聪 指导教师 钟黎萍 职 称 讲师 论文提交日期 2010-5-18

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基于DSP的BLDC调速控制器的设计

摘要

无刷直流电动机是随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，它是现代工业设备中重要的运动部件。无刷直流电机的最大特点是没有换向器和电刷组成的机械接触结构。因此，无刷直流电机没有换向火花，寿命长，运行可靠，维护简单。由于这一系列优点，它的用途比有刷直流电机更加广泛，尤其适用于航空航天、电子设备、采矿、化工等特殊工业部门。

无刷直流电机大多以霍尔元件、光电编码或其他位置检测元件作为传感器。但当电机的尺寸小到一定程度时，使用位置传感器的弊病就比较明显。因此，在小型和轻载起动条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择。本文采用的就是过零点反电动势检测法。

本文中采用的是一块由TI公司新研究出产的TMS320F2812芯片,它不但运行速度高，处理功能强大，并且具有丰富的片内外围设备。

本课题主要完成了以下几个方面的功能设计： 一， 基于DSP TMS320F2812的最小系统设计； 二， 反电势检测法的阐述；

三， 系统主电路的设计并进行原理图的绘制和PCB的制作； 四， 完成对电路板的焊接并进行控制电路的调试。 关键词：无刷直流电机 换向器 反电势法 无传感器检测

I

The design of BLDC speed controller based on DSP

Abstract

Brushless Dc Motor is a new kind of dc Motor developed from electronic technology and has become an important motion component in the modern industrial equipment. Its biggest characteristic is that it has no mechanical commutator and brush. Therefore, Brushless Dc Motor has many advantages of no commutation spark, longer life, reliable operation and easy to maintain. It has been used more widely than Brush Dc Motor ,especially in the special industrial sectors ,for example, aerospace, electronic equipment, mining and chemical industry.

Most of the Brushless Dc Motors use hall element, photoelectric coding or other position detection devices as sensors. However, when the motor’s size is smaller, motors using the position sensor will be very hard. Therefore, sensorless Brushless Dc Motor becomes an ideal choice in the small and light-load starting conditions. The detection method adopted in this paper is zero-detecting back EMF.

This paper adopts TMS320F2812 as main controller, which not only can operate at a high speed, be of powerful processing ability, and has rich peripheral devices within the chips.

The main works in this paper are following:

1. The minimum system design based on DSP TMS320F2812 is made. 2. The back EMF detection method is carefully studied.

3. The main circuit was designed, the schematic and PCB were made as well. 4. The circuit board was welded, and BLDC’s sensorless control system was operated. Key Words: Brushless DC Motor; commutator; EMF; Sensorless detection

II

目录

1.引言 ............................................................................................................................................ 1

1.1研究背景 ............................................................................................................................... 1 1.2无刷直流电机的研究历史及现状 ....................................................................................... 2 1.3无刷直流电动机的发展历程 ............................................................................................... 3

2.无刷直流电机的结构和工作原理 .................................................................................... 5

2.1永磁无刷直流电机的结构 ................................................................................................... 5 2.1.1电机本体 ......................................................................................................................... 6 2.1.2逆变器 ............................................................................................................................. 7 2.1.3位置检测器 ..................................................................................................................... 8 2.1.4控制器 ............................................................................................................................. 9 2.2无刷直流电动机的基本工作原理 ....................................................................................... 9 2.3永磁无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机 ............................................................. 11

3.永磁无刷直流电机无位置传感器控制 ......................................................................... 13

3.1 BLDC无位置传感器控制问题的提出 .............................................................................. 13 3.2反电势法 ............................................................................................................................. 13 3.3 BLDC反电势过零点检测方法 .......................................................................................... 17

4.无位置传感器检测硬件系统的实现 ............................................................................. 20

4.1TMS320F2812 DSP 系统与应用 ........................................................................................ 20 4.2硬件组成及其工作原理 ..................................................................................................... 24 4.2.1 DSP最小系统 .............................................................................................................. 25 4.2.2主电路设计 ................................................................................................................... 28

5.无位置传感器控制系统软件设计 .................................................................................. 33

5.1系统程序开发平台概述 ..................................................................................................... 33 5.2软件总体设计 ..................................................................................................................... 33 5.3 PWM波的产生 ................................................................................................................... 35 5.3.1 PWM波生成原理 ........................................................................................................ 35

III

5.3.2 PWM波的DSP实现 ................................................................................................... 38 5.4反电势过零点检测和计算 ................................................................................................. 39

6.控制系统的调试及运行结果 ........................................................................................... 41

6.1电机实物图 ......................................................................................................................... 41 6.2系统硬件电路 ..................................................................................................................... 41 6.3结果及波形分析 ................................................................................................................. 43

结 论 ........................................................................................................................................... 45 参考文献 .................................................................................................................................... 46 附录1：最小系统原理图 ..................................................................................................... 48 附录2：主电路原理图 ......................................................................................................... 49 附录3：最小系统PCB ......................................................................................................... 50 附录4：调试程序 ................................................................................................................... 51

1主程序 .................................................................................................................................... 51 2初始化程序 ............................................................................................................................ 52 3中断程序 ................................................................................................................................ 58 4 PWM波的产生 ...................................................................................................................... 60

致谢 ............................................................................................................................................. 63

IV

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1.引言

1.1研究背景

一个多世纪以来，电机作为电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机的主要类型有同步电机、异步电机与直流电机三种[1]。直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此被广泛应用于各种调速系统中，但传统的有刷直流电机均以机械换相方法进行换相，存在相对的机械摩擦，因此带来噪声、火花、无线电干扰及寿命等致命弱点，从而大大地限制了它的应用范围。而相比有刷直流电机，无刷直流电机的结构是以电力电子电路取代传统有刷直流电机的电刷，故其既具有有刷直流电机运行效率高、运行性能好等优点，又具有交流电机运行结构简单、运行可靠、维护方便等优点。目前，随着半导体技术的快速进步与永磁材料的新发现，高性能、低成本的永磁无刷直流电机已成为调速领域的领军力量，它具有巨大的开发潜质和广阔的应用前景[30]。

为了实现永磁无刷直流电机控制系统的速度控制，需要知道电机转子的位置信号和速度信号。通过位置信号确定转子的磁极位置，然后去控制定子绕组的换相。通常，转子位置信号有一个光电或霍尔传感器输出。转子的速度信号通常依靠安装在转轴上的测速发电机、光电编码盘等测速装置侧得。由于大多数永磁无刷直流电机的容量都很小，一般不宜在其轴上安装测速发电机等测速装置，所以目前的永磁无刷直流电机通常是利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映它的转速。由于这些传感器的存在给永磁无刷直流电机的应用带来很多的不便：（1）为了安放传感器而增加电机体积和成本。对于容量在数百瓦以下的永磁无刷直流电机，传感器体积往往占了整机体积的20%以上，其成本通常为电机本体的30%左右；（2）传感器连线太多。例如，一台永磁三相无刷直流电机若采用霍尔传感器，至少需要五根连线，若采用其它传感器时往往连线更多。因此太多太长的连线都很容易引入干扰；（3）高温低温，污浊空气等工作环境及震动，高速运行等工作条件，都会降低传感器的可靠性。尤其在一些恶劣工作环境中，如在密闭的空调压缩机种，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用；（4）传感器的安装精度直接影响电机的运行性能，因此也相对增加了生产工艺的难度。

针对位置传感器所带来的种种不利影响，近一二十年来，永磁无刷直流电机的无位置传感器控制一直是国内外研究的热点，也是永磁无刷直流电机控制器的发展方向。

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1.2无刷直流电机的研究历史及现状

长期以来，电动机将电能转化为机械能驱动机械装置，其应用范围涉及军事和工农业生产的各个领域，以及人们的日常生活必需的电气设备如冰箱、空调、洗衣机等。传统的有刷直流电动机采用电刷装置以机械方法来实现电气换流，因存在电刷和换向器之间的机械摩擦，由此带来机械和电磁噪声、电气火花甚至环火、导致无线电干扰以及缩短使用寿命等致命弱点，再加上换向器制造成本高及维护困难，而且转子转动惯量大，调速动态响应性能差等缺点，从而大大限制了它在高精度、宽范围调速系统的应用[10]。

针对上述直流电动机的弊病，早在本世纪三十年代就有人研制以电子换流代替电刷机械换流的直流无刷电动机，经过几十年的努力，直至六十年代终于实现了这个愿望。

七十年代，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 SCR、GTO、GTR、MOSFET、IGBT等相继问世，以及高性能永磁材料的研制成功，器件和材料价格不断下降，均为永磁无刷直流电机的发展创造了得天独厚的条件。

八十年代，随着数字信号处理技术及其硬件芯片包括微处理器技术的迅猛发展，许多复杂而有效的控制策略和算法在各种电机控制中得到实现，并且越来越多地用于电动车辆和其他工业驱动控制系统中[11]。

传统的微处理器如：51、96系列在实现对电动机的控制时，由于本身指令功能不强，乘除法所用周期过多，外围电路数据转换速度慢；另一方面，永磁无刷直流电机存在齿槽效应，电磁转矩脉动大，无法在规定时间内完成复杂的控制算法，永磁无刷电机的性能要得到充分发挥，还必须要在硬件上采取措施。

美国德州仪器 TI [3,28]公司专门为电机的数字化控制设计了一系列16位定点数字信号处理器 TMS320F24xxDSP等，其信号具有高速处理能力且集电机控制的优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠而高效的信号处理与控制硬件。为了提高控制器的运算速度和运算精度，本控制系统控制器选择TI公司最新推出的数字信—TMS320F2812 DSP芯片。

九十年代，采用数字信号处理器控制的无刷永磁直流无刷电机驱动系统不断朝着高压大功率方向发展，能够适应电动助力车，甚至电动轿车和汽车等的要求，电动车辆得到越来越多的用户青睐，由于永磁无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又兼有直流电动机的运行效率高 、无励磁损耗及调速性能好的特点，同时由于采用高性能永磁材料。因此电机本体设计可做到重量轻、体积小、效率和

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功率密度高、出力大等性能指标。

但是，近代许多永磁无刷直流电机在应用时，往往由于电机本身存在转矩波动，致使负载转速得不到精确控制，对需要高精确，宽范围调速运行场合的速度控制，对转速信号反馈控制灵敏度的要求更为严格，另一方面由于逆变器供电使电机绕阻（多为集中绕阻）中的电流谐波成分多，当采用交流供电时，使交流输入侧功率因数降低，因此需要采取功率因数校正措施以改善交流供电系统的功率因数。

采用DSP控制永磁无刷直流电机有如下的优点[6,14]。

· 降低电机本身的电磁转矩波动，减轻系统振动，延长寿命。 · 减少滤波成分，降低滤波器的造价。

· 实时检测和计算原来需要存于表格的数据，节约存储器空间，实时反映系统变化。 · 控制功率逆变器，产生高性能的PWM波形输出。

· 提供单片控制系统，降低系统成本，同时对高性能控制，DSP控制器可执行更复杂的算法。

· 实现无位置传感器控制，提高系统的可靠性。 · 基于自适应控制理论，参数自适应的实时监控系统。 · 通过观测机械振动的频谱，预测系统故障的容错控制系统。

· 实现限波滤波器抑制和清除可能引起系统谐振并导致系统不稳定运行的能量。

1.3无刷直流电动机的发展历程

1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础[20,25]。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。

科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大

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部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机。在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。

无刷直流电机按照工作特性，可以分为两大类[21]： 1．具有直流电机特性的无刷直流电机

反电动势波形和供电电流波形都是矩形波的电机，称为矩形波同步电机，又称无刷直流电机。这类电机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。

2．具有交流电机特性的无刷直流电机

反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电机，称为正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。

严格来说，只有具有直流电机特性的电机才能称为无刷直流电机。

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2.无刷直流电机的结构和工作原理

永磁无刷直流电动机(Brushless DC Motor, BLDC)是一种典型的机电一体化产品[1,2]，它是由电动机本体、逆变器、位置检测器和控制器组成的自同步电动机系统，其结构原理图如图2-1所示。位置检测器检测转子位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。

永磁无刷直流电动机Us逆变器控制器

图2-1 结构原理图

位置检测器 2.1永磁无刷直流电机的结构

众所周知，有刷直流电机具有旋转的电枢和固定的磁场，因此有刷直流电机必须有一个滑动的接触结构——电刷和换向器，通过它们把电流反馈给旋转着的电枢。无刷直流电机却与有刷直流电机相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关器件，如晶闸管、晶体管、功率MOSFET或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等可直接与点数绕组链接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换向装置。综上所述，无刷直流电机有电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2-2所示。

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主定子 电动机本体 位置信号处理 主转子 功率逻辑开关 直 流无刷电动机 电子开关线路 传感器定子 位置传感器 传感器转子

图2-2 无刷直流电机组成框图

2.1.1电机本体

永磁无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，只不过将直流电动机的定、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以永磁无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。

定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组(三相最为常见)，绕组可以结成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连。

永磁无刷直流电动机的转子利用永磁体形成主磁极，常见的转子结构有两种形式，如图2-3所示。面贴式结构是在铁心外面粘贴上瓦片形永磁体，具有结构简单制造成本低的特点，但在高速时永磁体易被离心力甩出，所以多用于低速电机。具有这种转子的电机称为面贴式电机(Surface-mounted Permanent Magnet Machine,SMPM)。内埋式结构是将永磁体嵌入铁心里面，能有效避免永磁体失磁，电机气隙较小，多用于对电机动态特性要求较高

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的场合。具有这种转子的电机称为内埋式电机(Interior Permanent Magnet Machine,IPM)。由于稀土永磁的磁导率接近于1，与气隙相当，所以虽然面贴式电机在几何结构上呈现为凸极，但在电气特性上却属于隐极电机；内埋式电机几何结构为隐极，电气特性上属于凸极电机，这一点与普通电机是不相同的。

铁心永磁体面面面面面面

图2-3 永磁无刷直流电动机转子结构型式

除了上述基本结构外，还有一种外转子式结构，即带有永磁极的转子在外面，嵌有绕组的定子在里面。电机运行时，外转子旋转。这种结构主要用于电动车的驱动。

永磁无刷直流电动机的气隙磁场一般为宽度大于120°电角度的方波，与此相对应，为获得较好的转矩特性，定子绕组多采用集中绕组。 2.1.2逆变器

逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，永磁无刷直流电动机的逆变器的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，永磁无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，不会产生振荡和失步，这也是永磁无刷直流电动机的重要优点之一。

逆变器主电路有桥式和非桥式两种，而电枢绕组既可以结成星形也可以结成角形(封闭形)，因此电枢绕组与逆变器主电路的连接有多种不同的组合，图2-4给出了几种常用的连接方式。其中，图(a)和图(b)是非桥式主电路，电枢绕组只允许单方向通电，属于半控型主电路；其余为桥式主电路，电枢绕组允许双向通电，属于全控型主电路。目前，星形连接三相桥式主电路应用最多。

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ABCABCD(a)(b)

VT1VT3VT5AVT4VT6VT2CB(c)

ACB(d)

图2-4永磁无刷直流电动机电枢绕组与逆变器的连接

(a) 三相半桥主电路 (b)四相半桥主电路 (c)星形连接三相桥式主电路

(d) 三角形连接三相桥式主电路

逆变器功率开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件。IGBT具有较低的导通压降，而MOSFET具有更快的开关频率。有些主电路已有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块(IPM)，选用这些模块可以提高系统的可靠性。 2.1.3位置检测器

位置检测器的作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器检测和无位置传感器检测两种方式。

转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、旋转变压器式以及编码器等。

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无位置传感器位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的的物理量间接地获得转子位置，主要有反电势法，这也是本文所要采用的方法。 2.1.4控制器

控制器是永磁无刷直流电动机正常运行并实现各种伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：

（1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号以及其他控制信号进行逻辑综合，为驱动电路提供开关信号，实现电机的正常运行。

（2）对电机进行闭环调节，使系统具有较好的动静态性能。 （3）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护功能。

2.2无刷直流电动机的基本工作原理

永磁无刷直流电机最常用的主电路为星形连接三相桥式主电路（图2-4（c）），这种电路主要有两种导通方式：二二导通方式和三三导通方式[1,2,4]。

二二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，桥臂之间左右互换，每个功率管导通120°电角度。

三三导通方式是在任一瞬间使三个开关管同时导通，同样每隔60°电角度换相一次，每次换相一个功率管，但换相发生在同一桥臂上下管之间，因而每个功率管导通180°电角度。

相比较之下，二二导通方式电机出力大，转矩特性较好，且不会发生开关管直通短路的现象，因此最为常用。其工作原理如图2-5所示。

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AYZAFaYSSZNBCFaX(a)FrCNBFr(b)X

AYFaFrYZAFaZNSCSNX(c)图2-5 永磁无刷直流电动机工作原理示意图

FrBCX(d)B

(a) VT1,VT2导通，A,B相导通 (b) VT1,VT2导通，A,C相导通 (c) VT2,VT3导通，B,C相导通 (d) VT3,VT4导通，B,A相导通

当转子旋转到图2-5（a）所示的位置时，位置检测装置输出的转子位置信号经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关VT1、VT6导通，A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经VT6回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-5（a）所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。

当转子在空间转过60°电角度，到达图2-5（b）所示位置时，位置检测器输出的位置信号使VT1、VT2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经VT1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VT2回到电源的负极。电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-5（b）所示，此时定转子磁场相互作用，转矩方向不变，使电机的转子继续顺时针转动。

转子在空间每转过60°电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关的导通逻辑为

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VT1、VT6→VT1、VT2→VT3、VT2→VT3、VT4→VT5、VT4→VT5、VT6→VT1、VT6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。

在图2-5（a）到图2-5（b）的60°电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持静止。只有当转子转过60°电角度到达图2-5（b）所示位置时，定子合成磁场才从图2-5（a）的Fa位置跳跃到图2-5（b）的Fa位置。可见，定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式的旋转磁场，每个步进角是60°电角度。转子在空间每转过60°电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的状态就发生一次跃变。可见，电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组导通的时间对应着转子旋转120°电角度。永磁无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。

从永磁无刷直流电动机的工作原理可知，转子位置的正确测量对电动机的正常运行起着十分重要的作用，这与一般的永磁同步电动机是不相同的。

2.3永磁无刷直流电动机和正弦波永磁同步电动机

从结构和原理上看，永磁无刷直流电动机就是一台永磁同步电动机。对于永磁同步电动机而言，由于转子结构和永磁体的几何形状不同，转子永磁磁场在空间的分布有正弦波和方波之分，因而在定子绕组中产生的反电动势也有两种波形：正弦波和梯形波。这两种永磁同步电动机在原理、模型、及控制方法上均有所不同。通常将永磁磁场为方波、反电动势为梯形波的永磁同步电动机系统称为永磁无刷直流电动机或简称为无刷直流电动机（BLDC），而将永磁磁场及反电动势波形均为正弦波的永磁同步电动机系统称为永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）。也有人把它们分别称为方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机。从电机特性上看，BLDC基本上具有直流电动机的运行特性，而PMSM具有交流同步电机的运行特性，因此称PMSM为直流电动机似乎并不太准确。

从电机结构上看，BLDC和PMSM没有多大区别，但它们的运行原理是不相同的，因而其控制方法、转矩产生的方式等方面均有很大差异，主要表现在以下几个方面：

1）由于方波磁场可以分解为基波和一系列谐波，可见BLDC的转矩不仅由基波产生，同时也有谐波产生。在相同的体积下，BLDC比PMSM的出力大约增加15%。

2）从理论上讲，BLDC不可能完全消除转矩脉动，而PMSM只要保证各量均为正弦波，就可以消除转矩脉动。

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3）BLDC通常采用集中绕组，以产生梯形波反电动势。而PMSM为了产生正弦波反电动势，需要采用短距分布绕组或分数槽绕组，工艺复杂。

4）BLDC的方波磁场产生相对简单，而PMSM的正弦磁场对磁路的设计和加工要求严格。

5）BLDC的开环运行也必须依靠位置信号，而PMSM无需位置信号即可开环运行。 6）BLDC按照普通直流电动的调速方式调速，实现简单。而PMSM通常采用矢量调速，控制算法复杂，控制器成本高。

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3.永磁无刷直流电机无位置传感器控制

3.1 BLDC无位置传感器控制问题的提出

无位置传感器BLDCM减少了位置传感器，因而电机结构简单，体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装或工作环境恶劣以至于位置传感器无法正常工作时，无位置传感器BLDCM就更加显示其独特的优越性[6,9]。

所谓无位置传感器，应该是无机械的位置传感器，在电机运转过程中，作为逆变桥功率器件换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的，只不过这种信号不再是由位置传感器来提供，而是由新的位置信号检测电路来代替，即以提高电路和控制的复杂性来降低电机的复杂性。位置传感器变为位置检测电路就是无位置无位置传感器无刷直流电机。

前面一章分析了有位置传感器无刷直流电机的结构和运行原理，它的定子绕组的换流时刻是由位置传感器的信号决定的，而无位置传感器无刷直流电机主要是依靠电机的电压和电流信息间接的获得转子磁极的位置信号，进而控制绕组的换流顺序和时刻。目前，比较常用的无位置传感器位置检测方法有5种：

（1）反电动势法。 （2）定子三次谐波检测法。 （3）续流二极管工作状态检测法。 （4）瞬时电压方程法。 （5）状态观察法。

本文系统采用的是最常用的传统的反电动势法。

3.2反电势法

目前，反电动势过零点法[16,26]是技术是应用最广泛、最成熟的转子位置检测方法。适用于三相六状态、绕组星型联结、120°两两通电方式。其原理为：在无刷直流电机稳态运行时、忽略电机电枢反应的前提下，通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信号，从而控制绕组电流的切换[1]。

掌握反电势检测法首先要明确以下两点：

（1）反电动势检测的基础是由于BLDC 电机采用两相导通模式，因此不导通的第三相就可以来检测反电动势的大小。如下图3-1所示。

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图3-1 三相输出电压

（2）为了检测反电势，必须满足以下两个条件：

1） 处于对角线上的两个桥臂上的功率开关（一个上管、一个下管）都被同一个PWM信号驱动。

2）另外一个用于检测反电动势的桥臂没有电流流过。

反电势法是目前最成熟的转子位置无传感器检测方法，其原理是通过探测定子绕组中的反电势来实现转子位置的离散检测，以保证换向的正确进行。具体可以分为如下几种：

1．反电势过零检测法

这种方法是通过检测定子绕组未导通相的反电势过零点来确定转子的位置，以便发出相应的切换信号。主电路为三相桥式全控星形连接的无刷直流电动机的等效电路如图3-2所示，在二二导通方式下，各导通管脚、绕组电流及反电势波形如图3-3所示。在图3-3中我们看到，功率管的切换发生在反电势过零后延迟30°的地方。因此，只要检测出了反电势过零点，就能正确进行功率管的切换。

iaRRRLLLeaUaUbUcibicebecUN

图3-2 永磁无刷直流电动机等效电路

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通过检测DSP的三个数字口GPIOB0、GPIOB1和GPIOB2的捕获的信号来确定反电势过零点。过零检测分为两个阶段，第一阶段是起动阶段，为了检测反电势是否有过零点，来确定外同步加速向自同步转换的时刻，第二个阶段是检测反电势过零点确定换相时刻，并且通过两个反电势过零点的时间来计算转速，给PI调速提供依据。反电势检测和计算流程图如图5-8所示。

初始定位 开始 功率管初始化 功率管导通 过零点？ Y 确定换相时刻 N 速度计算和调节占空比 结束

图5-8 位置检测和计算程序流程图

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6.控制系统的调试及运行结果

在完成了控制系统的硬件设计和软件设计后，完成了硬件电路的制作，对系统进行 调试，得出了实验分析用的波形，并对调试结果和波形进行了具体的分析。

6.1电机实物图

电机实物图如图6-1 所示。

图 6-1 无刷直流电流电机外观图

6.2系统硬件电路

1．最小系统设计

图6-2所示为最小系统PCB板。

图6-2 最小系统印刷板

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2．电路焊接板

图6-2,6-3分别为电路和检测电路焊接板。

图6-3主电路

图6-4 检测电路焊接板

3．系统硬件调试现场

现场调试电路如下图6-5所示。

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图6-5系统调试现场

6.3结果及波形分析

为验证本课题所提出的无位置传感器硬软件控制系统，在一台小型BLDC上进行了研

究，实验电机参数如表6-1所示。

表6-1实验电机参数

电机参数 额定功率 额定相电流 额定直流电压 额定转速 额定转矩 定子相电阻 转动惯量 极对数 参数值 100W 4.46A 24V 3000r/m 0.32Nm 0.432Ω 0.0411Kg.cm2 2

在三个不同的状态下，电机的运行实验结果如图6-6 ~ 6-8所示。

图6-6 BLDC低速运行时的绕组电压波形

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图 6-7 高速运行时的电压波形

图 6-8 负载运行时的电压波形

图6-6是BLDC在低速运行下的绕组电压波形，图6-7是BLDC在高速运行下的绕组电压波形，图6-8是在有负载状态下绕组电压波形,因此可得出反电势检测法能够驱动电机正常工作。

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图3-3永磁无刷直流电动机电流、反电势波形及开关管导通顺序

由图3-2可以写出无刷直流电动机的电压平衡方程：

dia?U?Ri?L?ea?UNa?adt?dib?U?Ri?L?eb?UN （3-1） ?bbdt?dic?U?Ri?L?ec?UNcc?dt?

二二导通方式下，每一瞬间只有两相导通，这两相的电流和反电势都是大小相等方向相反。另一项电流为零，因此可推得未导通相反电势的检测方程为：

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1?e?U?(Ub?Uc)a?a2?1?e?U?(Ua?Uc) （3-2） ?bb2?1?e?U?(Ub?Ua)cc?2?

这样，任意时刻，根据（3-2）对未导通相反电势进行检测，当其过零时，再根据相应的算法，延时30°后，发出切换信号，实现换向。

2.反电势直接换向点检测法

这种方法是利用反电势信号直接检测换向点，而无需考虑延时问题。具体又分为： （1）反电势积分法

GE公司的D.Erdam首先提出这种方法，其思路是在反电势过零后对其绝对值积分,当积分值达到预先设定的门限值时，发出切换信号。为防止斩波噪声对积分的干扰，采用了特殊的PWM调制法：在功率管导通的前半周进行PWM调制，后半周一直导通，从而有效避免了PWM脉冲队过零点的干扰。不过，门限值的确定比较困难。

（2）反电势三次谐波积分法

由图3-3可知，在二二导通方式下，BLDC三相反电势之和的波形如图3-4中的实线所示，将其滤波后得到一个三次谐波，三次谐波的积分波形如图3-4中的虚线所示。对照图3-3可知，开关管的切换就发生在该波形的每一个过零点处。因此，这种方法在算法上相对简单一些。

eθ

图3-4 BLDC三相反电势之和及其基波之积分波形

实线：BLDC三相反电势之和 虚线：三相反电势之和的基波的积分

3）续流二极管监测法

此方法通过监测反并联于逆变器的六个二极管的导通和截止情况来判断转子位置。对

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于关断相绕组来说，其续流二极管的电流，主要由反电势产生(电感较小)，所以二极管的熄灭点对应着反电势的过零点。这种方法较少受到PWM脉冲的影响，因而精度较高。日本学者通过这种方法在很低的转速下获得了转子位置信息。

实际应用中，由于受PWM调制的影响，反电势过零点往往不是很明确，必须经深度滤波将PWM脉冲的影响滤除以后才能得到有用信号，从而产生相移，使位置检测不准确，必须进行补偿。另外，如何精确延时30°也是一个问题，尤其是在变速运行的时候。

反电动势过零点检测法的缺点是静止或低速时反电动势信号为零或很小，难以得到有效的转子位置信号，系统低速性能较差，需要开环方法起动此外为消除调制引起的高频干扰而对反电动势信号进行深度滤波，这带来了与速度有关的相移，为保证正确的电流换相要对此相移进行补偿。因此，国内外研究人士纷纷就其相位滞后、换相转矩脉动、忽略电枢反应造成的误差等问题做了深入研究。

无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方向转动。电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电热。所以，在转子旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，即运动电势，一般称为反电动势或反电势。对于采用三相六状态、绕组星型接法、120°两两导通方式的无刷直流电机而言，三相绕组在任意时刻总有一相处于断开状态，检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组重合，再延迟30°即为无刷直流电动机的换相点。

在本文中，采用的就是第一种方法，反电动势过零点检测法。

3.3 BLDC反电势过零点检测方法

通常，对于无刷直流电机来说，有三种PWM调制方式[1]：一种较为常见，是高压侧功率管PWM调制方式，而低压侧功率管常导通；一种是低压侧功率管PWM调制方式，高压侧功率管常导通；还有一种是高、低压侧功率管同时采用PWM调制的方式。

本文中采用的是PWM调制第一种方式，采用高压侧功率管调制方式，而低压侧只是在电机换相时导通或关断，不导通相得反电动势可以在PWM高电平和相电流续流阶段中被检测出来。在任意时刻，一相绕组连接于高压侧PWM调制的功率管，另一相连接于低压侧常开通的功率管。剩下的一相没有电流通过，其端电压用于检测出反电动势。如图3-5所示，A相和B相两相导通，C相不导通。假设某一个换相阶段，电机处于A相和B相导通，C相为不导通状态，如图3-5所示，在一个PWM调制周期中，当PWM信号为低电

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平相电流处于续流状态时，高压侧功率管SW1关断，相电流经由功率管中集成的续流二极管VD1，在A相和B相绕组中续流。在这个续流阶段中，不导通相端电压同样可以检测出反电动势的过零点。具体如下：

图3-5 BLDC运行时三相端电压电路

对于A相绕组有：

Vn?0?ri?L对于B相绕组有

Vn?ri?Ldi?Ebdt （3-4） di?Eadt （3-3）

将 式（3-3） 和式（3-4）相加有

Vn??Ea?Eb2 （3-5）

根据无刷直流电机三相绕组对称的关系，有

?E?c0 （3-6） Ea?Eb根据式（3-5）和式（3-6）有

Vn? Ec2 （3-7）

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因此，在永磁无刷直流电机相电流处于续流状态时，有

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Vc?3Ec2 （3-8）

从式（3-3）到（3-8） 可知，当相电流在功率管的集成二极管中续流时，不导通相得端电压直接和反电动势成正比，而此时由于不存在功率管的开关状态，因此不会有大量的

图3-6 反电动势波形与BLDC的换相

开关噪声。将此时的端电压和固定的参考电压进行比较，可以精确地得到不导通相反电动势的过零点，在过零点时刻延时30°电角度，即是无刷直流电机的换相点。电机的反电动势检测出来以后，可以找到反电动势的过零点，在反电动势过零处进行是的适当地换相操作，可以完成BLDC电机的连续运行，如图3-6所示。和常用的无位置传感器控制方法相比，这种方法有较高的灵敏度。由于不用对端电压分压检测，因此所检测的端电压不会有衰减。尤其在无刷直流电机低速阶段，拥有很高的检测精度，因此拓宽了这种方法的转速适用范围，也加快了电机开环启动的过程。另外，由于不导通相的反电动势，在PWM关断状态时被检测，因此能够避免高频的PWM开关噪声。这种同步的检测方法能够很方便地去除开关噪声带来的过零点精度问题；由于不需要低通滤波，因此不会带来所检测到的反电动势过零点发生过大的偏移；最后，便于在数字控制系统的基础上进行方法实现。

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4.无位置传感器检测硬件系统的实现

图4-1所示为所设计的无位置传感器控制系统总体结构。其中，经限幅电路输出的三个反电动势信号经过过零比较器，输入到控制器中，由控制器判断出过零点，进过DSP内部控制算法后输出6路PWM信号给三相逆变桥，对无刷直流电机进行换相和调速，从而可以进行相应的换相控制。

图4-1 无位置传感器控制系统框图

4.1TMS320F2812 DSP 系统与应用

数字控制器[3,21]采用DSP芯片作为主控制器，硬件上由CPU、存储器、数字I/O口、

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PWM模块和A/D模块组成。PWM模块产生6路PWM信号用于永磁无刷直流电机的换相。数字I/O口还有3路信号的输入，是反电动势检测信号。转速计算模块根据换相检测信号计算出转速的数值；速度控制模块根据调速要求计算输出PWM的占空比；换相控制模块根据换相信号的电平跳变，进行相应的换相。

为了实现上述功能，采用了专用的控制芯片——TI公司的TMS320F2812 DSP作为控制器。TMS320F2812 DSP给设计者提供了整套的片上系统，主频高达150MHz,片内具有高达128K字的编程FLASH，集成了PWM发生模块，带有CAP捕获模块的事件管理器（EV）模块，32位定时器，12位AD采样模块，多个复用输入输出可自定义的I/O端口。

TMS320F2812 DSP 事件管理器模块为用户提供了许多的功能与特点，包括通用（GP）定时器、全比较/PWM单元、捕获单元和正交编码脉冲（QEP）电路等。这些功能对无位置传感器控制系统都有及其重要的作用，其功能特点如表4-1所示[1]。

各个功能部分说明如下：

（1）通用（GP）定时器 事件管理器各有两组GP定时器。GP定时器x（x=1或2对应EVA；x=3或4对应EVB）包括：

1）1个16位定时器TXCNT，为增/减计数器，可以读/写。

2）1个16位定时器比较寄存器TxCMPR（带影子的双缓冲寄存器），可以读/写。

3）1个16位定时器周期寄存器TxPR（带影子的双缓冲寄存器），可以读/写。 4）1个16位定时器控制寄存器TXCON，可以读/写。 5）可选择的内部或外部输入时钟。

6）一个对于内部或外部输入时钟可编程的预定标因子。

7）控制和中断逻辑，用于4种可屏蔽中断：定时器周期中断、定时器比较中断、上溢中断和下溢中断。

8）一个输入方向选择引脚（TDIRx）（当选择为定向增/减计数模式后，进行增计数或减计数）。

GP定时器可以单独操作，也可以与其他定时器同步操作。每个GP定时器所具有的比较寄存器可以用作比较功能和PWM波形的产生。对于每一个 GP定时器，在增或增/减计 数模式下都有3种连续操作模式。通过预定标因子，每个GP定时器可以使用内部或外部时钟。GP定时器可以为事件管理器的其他子模块提供时基：GP定时器1可以为所有的比较和PWM电路提供时基电路，而GP定时器1和GP定时器2都可以为捕获电路和正交

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表4-1 DSP事件管理器模块功能表

通用（GP） 定时器 比较单元 捕获单元 EVA模块 定时器1 定时器2 比较器1 比较器2 比较器3 捕获器1 捕获器2 捕获器3 正交编码 脉冲电路 QEP EVA信号 T1PWM/T1CMP T2PWM/T2CMP PWM1/PWM2 PWM3/PWM4 PWM5/PWM6 CAP1 CAP2 CAP3 QEP1 QEP2 QEP11 外部定时 器输入 外部 比较 输入 外部定时器 比较输入 外部功率 保护输入 外部ADC SOC触发 功率驱 动保护 计数方向 外部时钟 比较 输入 端口 TDIRA TCLKINA C1TRIP C2TRIP C3TRIP T1CTRIP/PDPINTA T1CTRIP T1CTRIP/PDPINTA EVASOC 功率驱 动保护 EVBSOC 计数方向 外部时钟 比较 输入 端口 EVB模块 定时器3 定时器4 比较器4 比较器5 比较器6 捕获器4 捕获器5 捕获器6 QEP EVB信号 T3PWM/T3CMP T4PWM/T4CMP PWM7/PWM8 PWM9/PWM10 PWM11/PWM12 CAP4 CAP5 CAP6 QEP3 QEP4 QEP12 TDIRB TCLKINB C4TRIP C5TRIP C6TRIP T3CTRIP/PDPINTB T4CTRIP T3CTRIP/PDPINTB 脉冲计数操作提供时基。双缓冲的周期和比较寄存器通过可编程的变化定时器（PWM）的周期，可以得到比较/PWM脉冲的期望占空比。

（2）全比较单元 每个事件管理器有3个比较单元，当该比较单元使用定时器1为其通提供时钟基准时，通过使用可编程的死区电路产生6个比较输出或PWM波形输出，而6个输出中的任何一个输出状态都可以单独设置。比较单元中的比较寄存器是双缓冲的，

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允许可编程地变换比较/PWM脉冲的占空比。EV事件管理器模块中具有全比较单元，可以输出PWM信号。比较单元都能产生相关的PWM输出，它是一个比较匹配信号，比较单元的时基有 通用定时器提供。

此项功能用于产生对无刷直流电机进行调制的PWM信号，而PWM信号的占空比和周期有比较寄存器和周期寄存器来决定，并根据控制寄存器输出所要求的PWM波形。

（3）可编程的死区发生器 死区发生器电路包括3个8位计数器和8位比较寄存器，它们可以将需要的死区幅值通过编程写入比较寄存器，以便3个比较单元的输出。通过每个比较单元的输出，可以单独时能或禁止死去的产生。死区发生器的电路可以为每个比较寄存器的输出信号产生2个输出（带有或不带有死区地带）。通过双缓冲ACTRx 寄存器，可以根据需要设置或更改死区发生器的输出状态。

（4）PWM波形的产生 每个事件管理器在同一时刻产生多达8个PWM的波形输出，通过带有可编程死区的3个全比较单元可单独产生3对（6路）输出，通过GP定时器的比较功能可产生2个单独的PWM。

TMS320F2812 DSP中的事件管理器模块EV中有特定功能的外设寄存器，包括定时器寄存器，用于产生PWM波形的全比较单元寄存器，以及捕获单元寄存器。通过对这些寄存器的设置和读取，可以控制DSP的工作状态以及输入和输出功能。EV模块可以产生中断请求 。当外设中断请求信号被CPU接受时，进入相应的中断服务子程序（ISR），以执行相应的中断操作。

（5）捕获单元 捕获单元为用户提供了对不同事件和变化进行记录的功能。当捕获输入引脚CAN（x=1、2或3属于EVA；x=4、5或6属于EVB）检测到变化时，它会将捕获到的所选择的GP定时器的当前计数值，并把该计数值存储在两级深度的FIFO堆栈中。捕获单元由3个捕获电路组成，捕获单元的特点如下： 1）1个16位的捕获控制寄存器CAPCONx（读写）。 2）1个16位的捕获FIFO状态寄存器CAPFIFOx 。

3）可以选择GP定时器1、2（为EVA）或GP定时器3、4（为EVB）作为时基。 4）3个16位的两级深度FIFO堆栈，为每个捕获单元配备1个。

5）6个捕获输入引脚（CAP1/2/3为EVA所用，CAP 4/5/6 为EVB所用），而每个捕获单元都有1个捕获引脚，所有捕获引脚的输入都与器件的CPU时钟同步。为了能正确地捕获到引脚的变化，输入引脚的信号电平须保持两个时钟的上升沿。其中，输入引脚的CAP 1/2和CAP 4/5也可以作为正交编码脉冲电路的输入引脚。

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6）用户可指定诊测变化的方式（上升沿、下降沿或两个边沿）。 7）3个可屏蔽中断标志，每个捕获单元各具有1个。

DSP的性能和速度完全可以保证对反电动势零点的检测与对BLDC的控制。将无位置检测所产生的过零点信号进过光电隔离电路输入个DSP的CAP捕获端口，以使DSP对过零信号跳变沿进行相应，以进入DSP的捕获中断进行换相。当CAP输入引脚上的信号发生跳变时，根据使用CAP模块所采用的定时器所运行的数值会被捕获进入存储器中，此捕获值可以作为换相时间的参考。与此同时，相应的中断标志位被置位，于是过零点比较信号可以作为产生一个中断请求。DSP的这个功能实现了对过零点比较信号的检测。

（6）数模转换模块 DSP的模数转换模块（ADC）包括带内置采样保持的12位AD转换模块，多达16个的模块输入可切换通道。DSP内部具有AD采样排序寄存器，能够决定模拟通道转换的顺序，并能够将采样得到的值存放在AD采样结果寄存器中，在程序操作时可以实时地将采样值读出。灵活的中断控制允许在不同的AD操作阶段产生中断请求。

（7）数字复用I/O口 DSP可以根据当前的位置信号状态输出6路PWM信号，进过隔离放大可作用在功率管逆变桥上，对无刷直流电机进行驱动。另外，DSP2812具有大量的通用、双向的数字I/O（GPIO）,可通过修改DSP内部的I/O配置寄存器将具有基本功能的端口复用成为数字I/O端口，以作为无位置传感器检测电路的触发、使能信号以及不导相的选择信号。

4.2硬件组成及其工作原理

无位置传感器检测电路框图如图4-2所示[21,22]。将BLDC三相绕组端电压取出，经过限幅后，经由电压跟随器，电机运行过程中，以保证端电压信号不会衰减，再分别通过过零比较器。将无位置检测所产生的过零点信号进过光电隔离电路输入给DSP的数字I/O捕获端口，以使DSP对过零信号跳变沿进行相应，以进入DSP的捕获中断进行换相。当输入I/O引脚上的信号发生跳变时，既是不导通相反电动势的过零点，延时30°电角度就是BLDC的换相点。根据使用换相控制模块所采用的定时器所运行的数值会被捕获进入存储器中，此捕获值可以作为换相时间的参考。

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