电机数字控制系统集成设计

无刷直流电机数字控制系统集成设计的分析

摘要：本文以“正弦波原理”无刷直流电动机系统为例，分析电机数字控制系统的集成设计思想、原理、结构特点和驱动控制方法。其中，驱动控制方法主要分传统的位置传感器和无位置传感器控制技术。传统方法主要是采用基于TI公司的TMS320F2812 DSP控制系统，包括了硬件电路和软件电路的设计。无位置传感技术这里主要介绍反电动势检测法，并且用基于数字信号控制器DSPIC30F6010的实例进行了分析总结。

1无刷直流电机的背景

无刷直流电动机（Brushless DC Motor，以下简称BLDC）是指采用电子换相取代有刷直流电机的机械换相的电动机。图1-1所示为一种无刷直流电机的横切面图，如图所示，它去掉了有刷直流电机的机械电刷，采用取而代之的霍尔传感器检测转子位置进行换相。无刷直流电机是近年来随着微处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。

定子绕组 霍尔传感器 转子磁体 传感器磁体 转轴

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图 1-1 一种无刷直流电机的横切面图

无刷直流电动机凭借其高可靠性、高效率、调速方便、寿命长等特点在国际上己得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无刷直流电动机将在未来几年内成为主导电动机，并逐步取代其他类型的电动机。现在许多高档精密型产品都用无刷直流电机，日本的不少公司已将无刷直流电机应用到数码照相机、微型收录机、摄影机、打印机、存储驱动器、手机以及汽车空调、洗衣机、吸尘器、电动车、心脏泵等领域[1-2]。

BLDC驱动控制方式分为有位置传感器式和无位置传感器式两种。有位置传感器控制方式转速检测精度高，更容易检测出转子初始位置，转矩脉动较小，容易实现一些比较复杂的控制技术；无位置传感器省去了位置检测装置，降低成本，缩小驱动器的体积，容易实现与驱动器与电机的一体化。随着检测技术和控制技术的发展，无位置传感器控制也能实现较高精度的转速控制，较优的启动性能和转矩脉动抑制。

2无刷直流电机数字控制系统发展现状

无刷直流电动机的控制有别于有刷直流电动机或交流感应电机，它需要一些位置传感信息来选择正确的换流顺序。传统的无刷直流电动机通过位置传感器信息来选择正确的换流顺序。但是位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机小型化；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能。另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可靠性。针对位置传感器所带来的种种不利影响，为适应无刷直流电动机的进一步发展，无位置传感器控制技术应运而生。

近年来，无刷直流电动机的无位置传感器控制一直是国内外较为热门的研究课题。无

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位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方式得到转子的位置信号、确定逆变器功率管的切换，进而对定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方式。在无位置传感器的控制方式中，研究的核心问题主要是如何通过软件和硬件的方法，构建转子状态量的检测电路。由于可以直接测量到的一般只有相电压和相电流两个量，因此，国内外目前所提出的控制方法绝大部分是基于以上两个观测量的。

有多种算法可以实现无位置传感器控制。反电势法和状态观测器法都能比较方便、直观的得到转速信号和位置信息，这两种方法也是目前使用最为广泛的控制方法。尤其是反电势过零点检测法，其原理简单，易于实现，在无位置传感器直流无刷电机控制系统中得到了普遍的应用。此外，国内外还提出了许多新的方法与技术，如涡流法，电流法以及矢量法等控制方法。但这些方法实现起来难度较大，应用条件比较苛刻，只适用于特定的应用场合，因此应用不是很广泛。

智能控制包括矢量控制、模糊算法、人工神经元网络和专家系统等，是目前学术界研究的热点。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究。其中，经典PID控制与模糊算法结合所组成的Fuzzy-PID控制、人工神经元网络和模糊控制相结合的复合控制以及人工神经元网络与数字滤波相结合的自适应控制等控制方法代表着当前智能控制的研究方向。

无刷直流电动机控制器的使用经历了分立元件的模拟电路，专用集成电路和以微型计算机为核心的数模混合控制与全数字化控制几个阶段。DSP器件的出现，使得电机控制系统的处理能力有了很大的提高。DSP具有强大的运算能力，和普通的MCU相比，运算及处理能力增强了10~50倍，因此在其控制策略中可以使用先进的实时算法，如Kalman滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实

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时性。近年来，国外一些大公司纷纷推出比MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的C2000系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列。它们都是将DSP内核配以电机控制所需的外围功能电路集成在单一芯片内，使设计的硬件成本大大降低且体积缩小。从而使DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受。

目前，采用DSP实现无位置传感器控制成为电机控制研究的热点，低成本DSP无位置传感器无刷电动机，成为无刷直流电动机的发展方向。集成控制芯片由于它的经济性也是广泛应用的方向。 3无刷直流电机的原理和结构特点

3.1 无刷直流电机的运行原理

一般的直流电动机由于电刷的换向，使得定子磁场在电机运行过程中始终保持与电枢磁场垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。无刷电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，因此，就可产生恒定的转矩使无刷直流电动机运转起来。

图3-1所示为无刷直流电动机的基本组成框图。由电动机本体、位置检测电路、控制电路、功率驱动电路和电子换相电路（逆变器）五部分组成。

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逆变器T1D1T3D3T5D5UsD4T2D2T4T6D6电动机本体 功率驱动电路控制电路位置检测电路 图 3-1 无刷直流电机基本组成原理

三相绕组无刷直流电机的绕组连接方式有三相星形连接和三相三角形连接，大部分场合采用三相全控电路方式。三相全控方式又分为两两导通和三三导通两种方式，其中两两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，每一功率管导通120°电角度；三三导通方式是指每一瞬间均有三个功率管导通，每隔60°电角度换相一次，每个功率管通电180°电角度。下面以两两导通方式为例，分析无刷直流电机的运行原理。

对于三相六状态120°导通方式，各功率管的导通顺序是T1T6、T3T6、T3T2、T5T2、T5T4、TIT4、…。当转子位于如图3-2(a)所示位置时，导通功率管TIT6，电流经Tl管，从A相流入，再从C相流出，经T6回到电源，此时在电机定子绕组中产生如图3-2(b)所示的电枢磁场，该磁场和转子磁场相互作用，使转子顺时针旋转，直至转子转至如图3-2(c)所示位置关断功率管T1，开通功率管T3，电流经B相流入，C相流出，再经T6回到电源，产生如图3-2(d)所示合成磁场，使电机继续顺时针旋转，这样在TIT6、T3T6、T3T2、T5T2、T5T4、T1T4、…的循环轮流导通下，转子不断连续的顺时针旋转。改变各功率管的导通顺序，就可以改变电机的旋转方向。

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AYA合成磁势方向ZSYSZCNBCNBXX

a) b)

合成磁势方向AAYZYZSSNBNBCCX

X

c) d)

图 3-2 无刷直流电机定转子旋转磁势图

3.2 永磁无刷直流电机的结构特点

永磁无刷直流电机实质上可以看作是一台用电子换向器取代机械换向的有刷直流电机。有刷直流电机电枢绕组的导通逻辑是通过机械换向器与电刷的相互配合，使转子电枢线圈在不同磁极下的作用力保持一致，使得电机稳定运行。在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。要使永磁无刷

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直流电机的转子所受的电磁力保持一致，就必须根据每个时刻转子磁极位置来确定电枢绕组的导通逻辑，所不同的是，此时电枢绕组是安装在定子上，其本身不能旋转，要通过电子换向装置变换其导电顺序及分配导通规律。直流无刷电动机一般由控制器、转子位置检测器和电动机本体三部分组成（如图3-3所示），控制器一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机，实现机电能量的转换。

电源控制器永磁电机输出转矩转子位置检测器

图3-3 永磁无刷直流电机系统框图

如图3-4所示，永磁无刷直流电动机的控制系统由主回路，永磁无刷直流电机本体，转子的位置传感器，三相逆变电路，驱动电路，和计算机控制系统组成，其中计算机控制系统包括典型的转速、电流双闭环、PWM生成器等。

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直流电瓶Cd三相逆变电路无刷直流电动机驱动电路电流检测转子位置传感器Un*转速调节器Ui*Ur电流调节器—UiPWM生成器三角波发生器Un—转子转速传感器电流变化单元转速反馈单元计算机控制系统 图3-4无刷直流电机控制系统的拓扑结构

4 无刷直流电机的控制方法

由以上的简单分析看来，无刷直流电机根据它的运行原理和结构特点，可以有很多的控制方法。而区分各种控制系统方法的关键主要是位置信号检测技术。无刷直流电机转子位置信号的检测主要有两种方式：一种是通过传感器检测

位置信号；另一种则是无位置传感器检测位置信号。

4.1有位置传感器检测的控制方法

如图4-1所示的就是，用霍尔位置传感器检测无刷直流电机位置信号的一个典型的控制系统框图。永磁无刷电机控制系统的硬件主要由控制和功率驱动两大部分组成。控制部

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分主要包括控制核心、外设接口电路、电流电压采样电路等。功率驱动部分包括辅助电源、集成功率模块（Integrate Power Module, IPM)、功率保护电路等。

48V三相逆变电路无刷直流电动机隔离输出电流检测光耦隔离六路PWM信号辅助电源采样电流TMS320F2812控制核心HALL位置传感器 图4-1 无刷直流电机控制系统硬件框图

上图的控制系统是采用TI公司的TMS320F2812 DSP作为数字控制系统，作为数字处理能力十分强大的这款芯片完全可以满足无刷直流电机的控制精度和要求。

传统的控制方法就是利用DSP来进行的，已经有很多的论文运用了这一技术。再通过具体的参数要求进行控制系统的硬件设计和软件设计，就完成了控制系统的设计。硬件设计主要包括：电源模块、串行通信模块、采样电路设计、功率器件及其驱动电路、辅助电源、系统保护电路等；控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分配合才能构成一个完整的控制系统。软件设计、硬件设计、控制算法设计及系统调试是一个交互的过程。软件设计主要是根据无数直流电机的特点，采用了转速、电流双闭环调速系统。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边称作外环。为了获得良好

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的静态、动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI调节器，如图4-2所示。

速度计算速度反馈速度给定+-速度调节电流参考+-速度计算位置参数电流调节PWM控制无刷直流电动机位置检测电流反馈 图 4-2无刷直流电机转速控制系统框图

以TMS320F2812 DSP控制系统为例，软件程序采用C语言编写，包括五部分：主程序、PDPINT中断、定时器T1周期中断模块、T2定时器周期中断、捕获中断模块。系统使用TMS320F2812 DSP控制器16个可屏蔽中断中的INT1, INT2和INT3。INT1为PDPINT中断；INT2为T1周期中断；INT3有四个中断源，分别为T2周期中断、CAP1捕捉中断、CAP2捕捉中断和CAP3捕捉中断。

初始化开始初始化PWM初始化系统关中断初始化捕获初始化PIE检测初始位置初始化PIE矢量表更新PWM值初始化GPIO使能驱动初始化A/D开中断启动A/D采样主程序循环，等待中断

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图4-3 主程序流程图

保存现场清除中断标志允许中断停止电机置故障标志恢复现场退出

图4-4 PDPINT中断服务程序流程图

图4-3~4-6分别给出了软件设计中，主程序和各个中断子程序的程序流程图，十分清晰地给出了软件设计的工作。

保存现场电压采样计算反馈电流过压保护判断速度调节？电流采样电流PI调节速度PI调节启动A/D采样恢复现场

图4-5 T1中断服务程序流程图

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保存现场设置CAP口为I/O口计算转速获得换相控制字复位T2定时器换相读取中断时刻T2计数器值恢复捕获功能

恢复现场

图4-6 捕获中断服务程序流程图

4.2无位置传感器检测的控制方法

无刷直流电机的运行，并不需要连续的位置信号，而只需检测所需换相时刻即可，这样可以通过监测电机的某项量来检测转子位置，该量必须随转子位置化而改变，且理想的情况是该值在电周期中与转子位置能建立一一对应的关系。

而对于方波原理的无刷直流电机系统，基于反电势的位置估算器是目前比较好的一种方法。和上一种方法对比，反电势的位置估算法只是在电机的转速估算上有差别，其他的部分都还是双闭环系统，如下图4-7。

图4-7无刷直流电机控制策略（无位置传感器）

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下面就简单介绍一下，反电动势过零检测技术。这种方法是比较实用的。使用“反电动势法”无位置传感器控制方法时，由于受PWM调制方式、续流二极管续流等众多因素的影响，绕组反电势一般难以直接检测，因此，需要采取其他方法来间接获得反电势过零点信号，国内外在这方面做了很多研究，大致有两种变通方式，分别称为“反电势重构法”和“端电压法”。“反电势重构法”由于要使用体积很大的变压器，串联在电机电路中很容易饱和，损耗也大，并且该方法只适用于电感不变的电机，如采用表面粘贴磁钢且饱和不严重的电机，所以该方法具有一定的局限性。下面对“端电压法”进行详细介绍。

采用三相六状态120°导通方式驱动时，在任意时刻逆变器总有一相处于不导通状态，也即在任意时刻总有一相绕组悬空。对于悬空相绕组，其相电压等于其感应电势，而该感应电势是由气隙合成磁场所产生的。与有刷直流电机一样，无刷直流电机存在也同样存在电枢反应，所以对于无刷直流电机，其气隙合成磁场由转子磁钢励磁磁场和电枢反应磁场共同作用，其中转子激磁磁场产生激磁电势，即空载电势和反电势，而电枢反应磁场产生电枢反应磁势，这两种磁势共同构成感应电势。但该电枢反应产生的主磁通所需通过的气隙和磁钢的磁导率都很低，因此由其产生的电枢反应磁势很小；与此同时，转子磁钢励磁磁场比电枢反应磁场大很多，所以激磁电势也比电枢反应磁势要大很多。因此，可以近似认为绕组中的感应电势等于反电势，而由以上分析可以看出，绕组反电势的过零点通常就发生在该相绕组悬空的期间。所以，通过检测绕组的相电压可以间接地检测反电势的过零点。对于三相星型接法的无刷直流电机，绕组相电压是指相绕组两端的电压，也就是绕组端部和绕组中心点之间的电压（如图4-8 Ua、Ub、Uc所示）。然而，大部分无刷直流电机都没有中心点引出线，所以直接检测相电压还具有一定的困难，由此，人们引入了“端电压法”的概念，所谓端电压，是指绕组端部至电源地之间的电压(如图4-8 UA、UB、UC所示)，可以由下式来表示

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UAUaU0UBUbU0UUUc0C （4-1）

为了更清晰的阐明“端电压法”的原理，首先给出简化的无刷直流电机拓扑结构，如3-1所示。

T1T3D1D3T5D5 UsD2D4D6T2T4T6 U UBA UCR其中：LUaUAUOUUEb bBUO UoUU cCUOLEaEcLRR

图 4-8 无刷直流电机拓扑结构图

由无刷直流电机拓扑结构可以推导出如下平衡方程式

UaRiaLdiaEadtULdibbRibdtEbUcRicLdicdtEc 式中 Ua、Ub、Uc——分别为A，B，C三相相电压；

R——相绕组电阻；

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(4-2)

图

L——相电自感与互感之差；

Ea、Eb、Ec——分别为A，B，C三相反电势。

三相绕组为星型接法，且没有中点。由式 (4-1)和(4-2)可求得

11U0(UAUBUC)(EaEbEc)33 (4-3)

假设电机处于电流从A相流入，B相流出，C相悬空（即导通功率管T1、T6）的状态，此时C相没有电流流过，不考虑PWM斩波的情况下，满足如下条件

ic0,dic0EE0abUAUBUdUCEcU0 (4-4)

将式（4-4）代入（4-3）可求得

Ud2 (4-5)

EcUCUd由（4-5）可知，只要检测到UC与2相等的时刻，就可以确定反电势的过零点，

从而得到转子该时刻的位置；同理可以确定其他两相反电势的过零点时刻，这样就可以检测到整个360°区间内六个状态中的所有转子位置状态，从而控制功率管的开通与关断，实现电机的换相。这种方法容易实现，但往往带有很多噪声信号，需要作一些必要的

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滤波，但滤波电路会带来一定的延时，且延时时间是随着反电势频率的变化而变化的。而且，以上结论都是在假定某一相悬空的前提下得出的，而在高速、重载、或者绕组电气时间常数很大等情况下，续流二极管导通角度很大，可能超过30°电角度，这样，在反电势过零时刻，该相绕组并未悬空，仍有电流流过，这样反电势过零信号就将被淹没，没法检测到反电势过零点，从而导致无法正常换相。

反电动势的幅值和转速成正比，在电机停转时反电动势为零，所以，这种方法在低速范围内无法有效检测反电动势过零信号。当转速增加时，激励的频率也增加，而采集端电压的滤波器阻抗随着激励频率的变化而变化，当转速过高时，滤波延时将影响到单位电流所产生转矩的能力，使电机不能正常工作。因此采用这种方法，电机工作的转速范围有限，而通过一定的方法，对相位进行补偿，则可以取得较好的效果。

5总结

无刷直流电动机虽然已经发展到相当成熟的阶段，但是相对于其它类型电动机，还是一种新型电动机，有着更优越的性能。本文首先系统地阐述了无刷直流

电机的基本构成、基本工作原理及运行特点，接着对其控制方法进行了探讨。本文主要是在传统的控制方法的基础上，分析了无位置传感器的应用，具体主要是反电势过零测试法。减小了复杂的硬件和费用，增加机械鲁棒性和驱动系统的可靠性，减少维护的需要，不增加系统惯量，消除噪音。

无刷直流电机通过数字控制系统的集成设计在许多领域都有了以前所达不到的水平。在医疗、工厂等具有高要求的场合，这样的应用就会更加的明显，前景十分广阔。

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