无刷直流电机控制系统经验

仿真

dsPIC30F6010 的直流无刷电机控制系统

基于 dsPIC30F6010 微处理器的无刷直流电机控制系统，分析了永磁无刷直流电动机的工作原理，并建立数学模型，然后根据原理和模型制定出无刷直流电动机的调速系统方案，并仿真得到理论上的 PI 参数。根据调速系统方案，在 MPLAB 系统开发平台上运用汇编语言分别用电机自带的位置传感器和反电动势过零检测法两种方法进行编程、调试，实现无刷直流电动机的数字控制。

无刷直流电动机作为机电一体化产品，既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备有刷直流电机的运行效率高、元励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。同时，它克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，并且制造成本低，简化了电机的维修，因此在工业上 ( 特别是微特电机领域 ) ，以及在小功率、高转速的调速领域的应用越来越广泛。

1 无刷直流电动机数学模型

式中： ua ， ub ， uc 表示电机三相相电压 ;ea ， eb ， ec 表示电机各相反电势 ;ia ， ib ， ic 表示电机三相相电流 ;La ， Lb ， Lc 表示电机三相绕组的自感 ;R 、 L σ为每相绕组电阻和电感 ; ω为转子电角速度 ; θ为转子电角度 ;un 为定子绕组中性点电压 ;t 为时间量。

由于每相绕组漏电感等效为常数，即 dL σ /dt=0 ，所以可将式 (1) ～ (3) 整理成下式：

式中： Te 为电机的电磁转矩 ; ω为电机转子的机械角速度，可以看出其转矩方程与普通直流电机方程相似，转矩随着电流幅值的增大而增大。

给任意两相无刷直流电动机通电，假设无转矩脉动，相电流与之对应的感应电动势平顶部分完全重合，则发现任意两相相电流大小相等，方向相反，不通电相相电流为零，通过式 (5) 得出电磁功率和电磁转矩，分别表示如下：

式中： TL 为负载转矩 ;B 为阻尼系数 ;J 为转动惯量。

2 系统控制方案

由于受 IGBT 等器件的功率限制， PWM 调速只能应用在中、小功率情况下，电机为小功率电机，用 PWM 改变电枢端电压进行调速。

理想元刷直流电动机的感应电动势和电磁转矩公式如下：

其中： Np 为通电导体数 ;1 为转子铁心长度 ;r 为转子半径 ;is 为定子电流。无刷直流电动机调速原理框图如图 1 所示。

2.1 有位置传感器法

给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度 PI 调节后产生电流参考值，与电流反馈值的偏差经电流 PI 调节后形成 PWM 占空比的控制量，实现电动机的速度控制。

2.2 反电势过零检测法

三相无刷直流电动机每转过 60 °需要换相一次，而转过一周需要 6 个换相点。无刷直流电机在任意 6 个换相阶段，只有两相通电并且通电电流方向相反，第三相不通电，相电流为零。假设其为断开相，则可列出方程：

3 控制系统硬件结构设计

dsPIC30F6010 为 16 位 ( 数据 ) 改进的哈佛结构，是一款专为电机控制应用设计的 80 引脚的 DSC ，运算灵活，数据处理能力强 ( 内部有两个 40 位的累加器 ) ，指令集灵活并且支持小数运算。

3.1 有位置传感器法硬件系统

有位置传感器法无刷直流电动机硬件系统框图如图 2 所示。

3.2 反电势过零检测法硬件系统

反电势过零检测法无刷直流电动机硬件系统框图如图 3 所示。

4 控制系统的软件设计

4.1 有位置传感器程序总体结构设计

软件设计主要采用 MPLAB IDE 7.40 作为开发环境。整个控制系统的软件部分由主程序、 A/D 中断服务子程序 ( 其中包括速度调节子程序和电流调节子程序 ) 、电平变化中断子程序以及故障引脚子程序和中断陷阱组成。

主程序主要完成控制器系统时钟模块的初始化 ( 为计算两相换相时间 ) 、中断的设置、电机的初始位置检测，之后主程序进入循环等待，直到触发中断跳入中断子程序。主程序流程图如图 4 所示。

4.2 反电动势过零检测法程序总体结构设计

主循环程序框图如图 5 所示。

5 实验研究

实验所用电机为方波驱动的三相无刷直流电动机。电机内置的霍尔位置传感器采用 SS41 霍尼韦尔开关量位置传感器。相关参数如下：额定转速 3000 rpm 、额定转矩 0.22 N · m 、转矩系数 0.0522Nm/A 、额定电源电压 24 V 、额定功率 70 W 、额定电流 5.18 A 、 5 对极、三相绕组电阻 0.488 Ω、三相绕组自感 1.19 mH 、电势系数 0.0482 Vs/rad 、电气时间常数 2.44 ms 、机械时间常数 0.338 ms 。

5.1 无刷直流电动机的开环试验

分别测量 6 组数据，并记录下转速和与之对应的占空比，表 1 为一定占空比情况下电机所对应的转速。从试验现象可以看出，电机在空载或轻载条件下，系统能够快速、稳定地达到设定转速，调速范围宽。其中，电机转速在有位置传感器条件下达到了 100 ～ 2 850 r/min ，整个系统能很好地实现电机的启动、转动、停止、反转等功能。在反电动势过零检测法中，电机由于受到感应电动势检测困难的影响，启动速度在 730 r/min 以下时，会造成电机转动不连续或停止，但是在 800 r/min 以上时运行良好，与有位置传感器在转速上相比较，要比有位置传感器更快。

一方面可能是试验所用电机的霍尔信号安装工艺与感应电动势之间存在差异，另一方面可能是电机自身电磁干扰、高频 PWM 信号对位置反馈信号电路的干扰等影响了位置反馈的精度造成的。这更加证实了无位置传感器应用在无刷直流电动机上的优越性。5.2 无刷直流电动机两种方法的闭环试验
图 6 可视为二阶系统，从启动到电机稳定运行共经过 3 000 个速度采样点，每一次速度调节需 6.4 ms 。电机启动时间为 t=1 s ，上升时间 tr=3.03 s ，峰值时间为 tp=3.10 s ，最大超调量 Mp=8% ，调整时间为 ts=8.22 s ，延迟时间为 td=2.48 s ，在调整时间内响应曲线的振荡次数为 3 次。开始的预定位时间为 1 s ，后突然换相，使得图中 0 ～ 4.5 s 处振荡频繁且启动调整时间长，属于正常现象。采用双比例调节时，电机启动正常、系统超调量小、转速精度较高。

图 7 同样可视为二阶系统，每一次速度调节需要 10 ms ，经过 3000 采样点后可知电机横轴单位 1 代表 30 s ，其中电机定位时间为 1 s 。电机启动时间为 t=3 s ，上升时间 tr=2.11 s ，峰值时间为 tp=2.50 s ，最大超调量 Mp=5% ，调整时间为 ts=7.68 s ，延迟时间为 td=1.03 s ，在调整时间内响应曲线的震荡次数为 4 次。从图中可以看出，采用 PI 调速系统时，电机启动平稳、系统超调量小、转速精度高。

结语专用电机控制芯片硬件结构简单、控制能力强、软件实现方便、控制精度高、实时性强，能实现更为复杂的算法，升级空间较大，其高速的执行性能和丰富的内置资源很好地满足了高性能无刷直流电动机调速控制系统的设计要求。开环环境下可以很迅速地达到速度要求，在闭环控制中启动、运行良好，反应速度快。