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摘要：本文详细介绍了一种基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机的控制原理，给出了控制系统的硬件电路和软件设计方案；使用DSP处理器的控制系统不仅可以改善电动机的调速性能，而且可以降低整个系统成本。
关键词：无刷直流电动机；反电动势；无位置传感器；DSP
中图分类号： TP732 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
无刷直流电动机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，它调速性能好，运行效率高，而且结构简单、维护方便；但它需要一个附加的位置传感器来检测转子位置，从而给逆变桥提供必要的换相信号，位置传感器的加入，将会增加电动机的成本，并且降低电动机的可靠性。本文介绍基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，该系统的转子位置信号是通过硬件电路和软件算法获得，因此系统的调速性能不仅得到改善，而且系统的成本得到降低。
2 控制原理
2.1无位置传感器无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机的无位置传感器DSP控制系统主要由电动机、反电动势过零检测电路和DSP控制电路组成。电动机的定子绕组分别与功率开关器件相连，永磁磁钢置在转子上，当定子绕组的某一相通电时，与转子磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子转动。转子磁钢转动后，其磁力线反过来切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，通过硬件检测电路检测各相的反电动势过零点，就可得到转子的位置，延迟30°电角度，即电动机的准确换相位置。
2.2反电动势原理及算法
本文以具有梯形反电动势波形的三相直流无刷电机为例，系统采用两两导通、三相6状态的PWM 调制方式，电机在任何时刻只有两相绕组导通。如图1所示为无刷直流电动机定子绕组端的一相等效电路和三相反电动势波形。其中L是相電感，R是相电阻，E是反电动势，Un是电动机定子绕组的中性点对地电压，Ua、Ub、Uc是三相输出端对地电压。依图1建立的三相端电压平衡方程为：
Ua=R×Ia＋L×dIa／dt＋Ea＋Un (1)
Ub=R×Ib＋L×dIb／dt＋Eb＋Un (2)
Uc=R×Ic＋L×dIc／dt＋Ec＋Un (3)
反电动势过零点发生在绕组不通电的那60°电角度期间，因此只需检测不通电的那一相绕组的反电动势波形，现假设A相和B相导通，C相不导通，A、B两相电流大小相等，方向相反，C相电流为零。如图1反电动势波形的1--2区，Ia=﹣Ib=I，Ic=0,将(1)、(2)式相加可得：
Un=1／2×(Ua＋Ub)(4)
(3)式可简化为：
Ec=Uc－Un (5)
将(4)式代入(5)式可得：
Ec=Uc－1／2(Ua＋Ub)(6)
同理可得到：
Ea=Ua－1／2(Ub＋Uc)(7)
Eb=Ub－1／2(Ua＋Uc)(8)
由(6)、(7)、(8)式可求出反电动势过零点，再延迟30°就是电动机的换相点。
图1 定子绕组等效电路与反电动势波形
2.3 无位置传感器无刷直流电动机的起动
无位置传感器无刷直流电动机的DSP控制系统是通过检测绕组中的反电动势过零点作为转子的位置信号，但当电机不转或转动很慢时将无法检测到反电动势信号，系统就无法运行；因此必须通过其他方式先使电动机转动起来。本系统用的是预定位方式启动，将预先设定的两相绕组通以持续的电流，经过一定的时间后转子就会转到一个预知的位置，以此作为转子磁极的初始位置，然后按照该相位关系输出PWM触发脉冲，导通功率开关器件，进入闭环控制状态。
3系统硬件组成
直流无刷电动机定子绕组为三相Y形连接，功率驱动电路采用三相全控桥电路。DSP控制器是系统的核心，主要完成PWM信号的产生、电动机转子位置估算和换相。DSP控制器输出六路PWM控制信号，通过栅极驱动电路放大后向各功率管送去，使其得到导通和关断的驱动信号，实现电动机的转动控制。电动机转动后，产生反电动势，反电动势过零检测电路将检测到的信号送给DSP控制器，经DSP处理器运算、处理后得到电动机转子换相的信号，DSP再根据这些信号产生适当的PWM控制电动机。
4系统软件流程图
系统软件流程图如图2，首先实现系统初始化，包括DSP初始化，系统参数、变量的初始化，寄存器初始化。初始化完成，系统等待运行状态，当按下启动键后，电机就处于起动状态，这时的电机处于开环控制状态，既反电动势检测电路是断开的，根据预定位得到定子、转子的相位关系后输出PWM触发脉冲，起动结束，进入闭环控制状态。DSP处理器根据反电动势检测电路检测到的信号，得到转子的位置，经过延迟、换相驱动电动机转动，然后与给定的速度进行比较，得到速度误差信号，再经过处理器的处理，产生适当的PWM控制信号，通过栅极驱动电路放大后加到电动机的三相功率电子开关电路，实现对直流无刷电动机的转速控制。
图2 系统软件流程图
5结束语
本文介绍了无位置传感器无刷直流电动机的DSP控制系统的硬件电路和软件流程，无位置传感器的实现主要在于软件算法的运用，因此系统的硬件投资少，降低了设计成本；并且提高了系统的可靠性，使产品更具市场竞争力。
参考文献
[1] 张琛．直流无刷电动机原理及应用[M]．北京：机械工业出版社．
[2] 韩安太，刘峙飞，黄海．DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]．北京：清华大学出版社．
[3] 王晓明.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社.
[4] 彭韬，鱼振民，王正茂，等.基于DSP的无位置传感器直流无刷电动机数字控制系统[J].中小型电机,2004，31(6)
[5] N．Matsui，M．Shigyo．Brushless DC Motor Control without Position and Speed Sensors．IEEE Trans．Ind．App1．，vo1．28，no．1，Jan．／Feb．1992，ppl20—127
作者简介：费重程 （1985-），男（汉族），江西人，广州飒特红外股份有限公司。
关键词：无刷直流电动机；反电动势；无位置传感器；DSP
中图分类号： TP732 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
无刷直流电动机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，它调速性能好，运行效率高，而且结构简单、维护方便；但它需要一个附加的位置传感器来检测转子位置，从而给逆变桥提供必要的换相信号，位置传感器的加入，将会增加电动机的成本，并且降低电动机的可靠性。本文介绍基于DSP的无位置传感器无刷直流电动机控制系统，该系统的转子位置信号是通过硬件电路和软件算法获得，因此系统的调速性能不仅得到改善，而且系统的成本得到降低。
2 控制原理
2.1无位置传感器无刷直流电动机工作原理
无刷直流电动机的无位置传感器DSP控制系统主要由电动机、反电动势过零检测电路和DSP控制电路组成。电动机的定子绕组分别与功率开关器件相连，永磁磁钢置在转子上，当定子绕组的某一相通电时，与转子磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子转动。转子磁钢转动后，其磁力线反过来切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势，通过硬件检测电路检测各相的反电动势过零点，就可得到转子的位置，延迟30°电角度，即电动机的准确换相位置。
2.2反电动势原理及算法
本文以具有梯形反电动势波形的三相直流无刷电机为例，系统采用两两导通、三相6状态的PWM 调制方式，电机在任何时刻只有两相绕组导通。如图1所示为无刷直流电动机定子绕组端的一相等效电路和三相反电动势波形。其中L是相電感，R是相电阻，E是反电动势，Un是电动机定子绕组的中性点对地电压，Ua、Ub、Uc是三相输出端对地电压。依图1建立的三相端电压平衡方程为：
Ua=R×Ia＋L×dIa／dt＋Ea＋Un (1)
Ub=R×Ib＋L×dIb／dt＋Eb＋Un (2)
Uc=R×Ic＋L×dIc／dt＋Ec＋Un (3)
反电动势过零点发生在绕组不通电的那60°电角度期间，因此只需检测不通电的那一相绕组的反电动势波形，现假设A相和B相导通，C相不导通，A、B两相电流大小相等，方向相反，C相电流为零。如图1反电动势波形的1--2区，Ia=﹣Ib=I，Ic=0,将(1)、(2)式相加可得：
Un=1／2×(Ua＋Ub)(4)
(3)式可简化为：
Ec=Uc－Un (5)
将(4)式代入(5)式可得：
Ec=Uc－1／2(Ua＋Ub)(6)
同理可得到：
Ea=Ua－1／2(Ub＋Uc)(7)
Eb=Ub－1／2(Ua＋Uc)(8)
由(6)、(7)、(8)式可求出反电动势过零点，再延迟30°就是电动机的换相点。
图1 定子绕组等效电路与反电动势波形
2.3 无位置传感器无刷直流电动机的起动
无位置传感器无刷直流电动机的DSP控制系统是通过检测绕组中的反电动势过零点作为转子的位置信号，但当电机不转或转动很慢时将无法检测到反电动势信号，系统就无法运行；因此必须通过其他方式先使电动机转动起来。本系统用的是预定位方式启动，将预先设定的两相绕组通以持续的电流，经过一定的时间后转子就会转到一个预知的位置，以此作为转子磁极的初始位置，然后按照该相位关系输出PWM触发脉冲，导通功率开关器件，进入闭环控制状态。
3系统硬件组成
直流无刷电动机定子绕组为三相Y形连接，功率驱动电路采用三相全控桥电路。DSP控制器是系统的核心，主要完成PWM信号的产生、电动机转子位置估算和换相。DSP控制器输出六路PWM控制信号，通过栅极驱动电路放大后向各功率管送去，使其得到导通和关断的驱动信号，实现电动机的转动控制。电动机转动后，产生反电动势，反电动势过零检测电路将检测到的信号送给DSP控制器，经DSP处理器运算、处理后得到电动机转子换相的信号，DSP再根据这些信号产生适当的PWM控制电动机。
4系统软件流程图
系统软件流程图如图2，首先实现系统初始化，包括DSP初始化，系统参数、变量的初始化，寄存器初始化。初始化完成，系统等待运行状态，当按下启动键后，电机就处于起动状态，这时的电机处于开环控制状态，既反电动势检测电路是断开的，根据预定位得到定子、转子的相位关系后输出PWM触发脉冲，起动结束，进入闭环控制状态。DSP处理器根据反电动势检测电路检测到的信号，得到转子的位置，经过延迟、换相驱动电动机转动，然后与给定的速度进行比较，得到速度误差信号，再经过处理器的处理，产生适当的PWM控制信号，通过栅极驱动电路放大后加到电动机的三相功率电子开关电路，实现对直流无刷电动机的转速控制。
图2 系统软件流程图
5结束语
本文介绍了无位置传感器无刷直流电动机的DSP控制系统的硬件电路和软件流程，无位置传感器的实现主要在于软件算法的运用，因此系统的硬件投资少，降低了设计成本；并且提高了系统的可靠性，使产品更具市场竞争力。
参考文献
[1] 张琛．直流无刷电动机原理及应用[M]．北京：机械工业出版社．
[2] 韩安太，刘峙飞，黄海．DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M]．北京：清华大学出版社．
[3] 王晓明.电动机的DSP控制[M].北京：北京航空航天大学出版社.
[4] 彭韬，鱼振民，王正茂，等.基于DSP的无位置传感器直流无刷电动机数字控制系统[J].中小型电机,2004，31(6)
[5] N．Matsui，M．Shigyo．Brushless DC Motor Control without Position and Speed Sensors．IEEE Trans．Ind．App1．，vo1．28，no．1，Jan．／Feb．1992，ppl20—127
作者简介：费重程 （1985-），男（汉族），江西人，广州飒特红外股份有限公司。