無傳感器單電流檢測的無刷直流電機控制

直流電動機以其優秀的線形機械特性、較寬的調速范圍、大的啟動轉矩、控制方法較簡單等優點，在各種驅動、伺服系統中有著廣泛的應用[1]，但傳統的直流電機中的電刷和換向器由于直接接觸、摩擦造成的磨損、火花、噪聲等是一個不可忽視的問題。永磁無刷直流電機(PMBLDCM，以下直接簡稱為BLDCM)利用電子換向替代了機械換向，沒有磨損、火花，噪聲大大減小，目前有著大量的應用，但如何實現最低成本的最優化控制，迄今為止尚無完美的解決方案。本文給出了較之大部分控制方法成本更加低廉、結構更加簡單的解決方案，并通過實驗進行了驗證。

對于無刷直流電機，控制方法的核心是要獲得電機位置或速度的實時信息。目前獲得位置、速度信息的方法主要有兩種：1.依靠霍耳元件或者碼盤來獲得位置、速度信號[2]，這種方法比較直觀簡單，但是存在如下問題：增加了器件成本，在無法加裝傳感器的時候無效;2.無傳感器(Sensorless)方法，即不加裝傳感器，目前主要有反電動勢過零檢測法[3][4]、三次諧波分析法[5]、Kalman預測法[6]，而這幾類方法大都局限于反電動勢為梯形的BLDCM，而且有的需要加裝特別的外部電路[3][4]，在一些場合下無法實現;有的算法復雜，會造成較大的實時誤差[6]，也不是很實用。目前一些公司如NEC，Renesas已經開發出了針對正弦反電動勢BLDCM的無傳感器的控制芯片，但是價格貴，調試繁瑣，升級不方便是很大的問題。本文給出了一種新的針對正弦反電動勢電機的控制方法，控制采用了TI公司DSP芯片(TMS320LF2407A)，核心代碼完全用C語言開發，便于調試、升級，同時實現了很好的啟動和調速功能，并對整個電路進行了最大的簡化，無需加裝特別的采樣電路，利用系統中的電路保護電阻完成對電流的采樣。

2系統結構綜述

參考圖1，本系統中通過單電流采樣，在DSP中實現電流鑒別算法和濾波算法，得到對應的三相電流，通過速度位置估算算法計算出電機轉子的當前位置和速度，然后利用PI反饋算法生成新的PWM作用于電機之上，完成一個控制流程。這樣循環往復，實現了電機從啟動到正常運轉以及調速的功能，下面將分別闡述各部分的原理與實現。

圖1 BLDC控制系統示意圖

3單電流采樣的實現

如圖2所示，電機的驅動采用了七段式的空間矢量法(SVPWM，Space Vector PWM)，利用六個依次相差60度的基本矢量和全0矢量(與全1矢量等效)，根據不同的作用時間合成按給定轉速作圓周轉動的旋轉矢量。

圖2 SVPWM波形生成及單電流采樣示意圖

從上圖中我們可以看出，一個SVPWM周期可以劃分成七個小的時間段(此即七段法名稱的由來)，不同的時間段對應不同的開關管控制電壓，不同的控制電壓造成了逆變電路*率開關管不同的通斷狀態，而不同的通斷狀態則對應著不同的電流流向，因此只要我們知道了當前的電流流向狀態，就可以從兩次不同時間的采樣電流(分別對應若干電流之和)中提取出需要的電流。以第0扇區為例(如圖2右側所示)，在第一次電流采樣中得到了Iu，第二次得到了(Iu+Iv)，由于在很短的時間內，電流不會發生突變，這樣就可以根據(Iu+Iv+Iw=0)推算出三相電流，完成了單電流采樣(One-shunt current detection)。