煤矿无刷直流电机无位置传感器控制技术研究

韩英

【摘要】 针对煤矿无刷直流电机无位置传感器技术进行研究，设计无位置传感器控制系统的整体结构和软件程序，并对系统进行分析。该系统简化了硬件电路设计，具有结构简单、稳定性好和可控性强等特点，是煤矿无刷直流电机控制的理想选择。

【关键词】 煤矿 直流电机 无位置传感器 控制

在矿用各类电机中，无刷直流电机具有调速特性好、输出转矩大及过载能力强等优点。传统转子位置检测时多采用霍尔传感器或光电编码器，不但增加了电机的体积和成本，还降低了电机运行的可靠性（传感器供电、信号处理和传输线路众多），同时，在煤矿井下恶劣的工作环境下传感器的性能降低，甚至无法正常工作。此外，传感器的安装精度还影响着电机的性能，使得生产工艺难度大大增加。

随着科技的迅猛发展，电力电子技术和电机控制理论不断进步，各类用于煤矿无刷直流电机控制的处理器功能不断增强，运行和数据处理速度也发生了质的飞越，为无刷直流电机无位置传感器控制技术的发展奠定基础。TMS320X2812是专业用于无刷直流电机的控制芯片，能够在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算，能够完成64位数据处理，从而使该处理器能够实现高精度的处理任务。编写控制算法的软件程序，可以实现模糊控制、神经元控制和自适应控制等，从而提高无刷直流电机的控制精度。本文主要研究煤矿无刷直流电机无位置传感器控制技术，并对控制系统的可行性进行详细分析。

一、无传感器位置检测技术

根据电机转子位置变化而改变功率器件的导通顺序，电机转子磁场和绕组电流产生的磁场相互作用产生稳定的电磁推力，保证煤矿无刷直流电机能够可靠运行。煤矿无刷直流电机转子位置检测是电机控制技术首先要解决的问题，位置检测技术发展经历了位置传感器检测技术和无位置传感器检测技术两个阶段。无位置传感器技术通过检测电机的磁链、电压和电流等物理量，然后经过DSP进行计算得到电机转子位置信息。现行主要的检测方法有端电压检测法、反电势过零检测法、瞬时电压方程法和续流二极管工作状态检测法等，本文采用反电势过零检测法对煤矿无刷直流电机转子位置进行检测。

因为反电动势很难直接进行测量，所以反电势过零检测法是通过比较电机三相绕组端电压进而间接得到过零信号。图1为煤矿无刷直流电机A相绕组的等效原理图，图中Ra为A相电阻，La为A相电感， Ea为A相反电势，V为三相绕组星形连接时中点对地的电压，R为分流电阻，Va为A相端电压。Va的值经过DSP内部程序计算得到，具体计算过程如下式：

（1）

图1 A相等效原理图

二、控制系统设计

由于煤矿无刷直流电机的转矩来源于定子磁场和转子磁场之间的相互作用，电机三相绕组的导通顺序根据转子位置改变而变化，即转子位置直接决定电机的绕组导通顺序，所以转子位置检测是控制系统要解决的首要问题。煤矿无刷直流电机的输出转矩大小取决于转子电流的大小，调速系统实质就是调节三相绕组中的电流大小，电流检测是控制系统要解决重要问题。煤矿无刷直流电机三相绕组电流为方波直流，电流与电压成正比，所以通过调节电压的幅值来实现对电流的控制。系统调速是采用PWM控制方式，系统运行时处理器（DSP）将电流信号与给定值相比较，利用电流闭环调节PWM信号的占空比进而调节逆变器的输出电压值，实现系统的电流控制和速度调节，煤矿无刷直流电机无位置传感器控制系统原理如图2所示。

控制系统换向和速度检测是通过软件程序实现的，电机开始运行时根据开环启动程序完成，运行过程中通过检测各相绕组反电势的过零点实现电机绕组的准确换向，DSP根据信号捕捉引脚获取的反电势过零点次数来计算电机的转速，为速度闭环控制提供速度反馈。DSP采集霍尔电流传感器检测的电流信号，并经过运算处理得到电机的电流值，为电流闭环控制提供反馈信息。开环启动程序如图3所示，设系统相序控制变量为phase，开、闭环标识变量为flga，当flga=1为开环；flga=0为闭环。开始时，令phase=0，系统先导通AB两相，flga=1，表示进入开环启动状态。在定时器T2中设置A、B两相导通的预定为时间，当T2减小到零，发送换向信号phase=phase+1。Phase的值为0、1、2、3、4、5时，对应绕组的导通顺序为AB、AC、BC、BA、CA和CB。当phase=6时对它清零，同时令flga=0，接着进入无位置传感器闭环控制程序。 开环启动过程中需要通过程序将PWM信号占空比设置逐渐增大，以使电机转速不断提高，换向时间要逐渐减小，以保证对换向的可靠控制。

三、结束语

本文在介绍数字信号处理器和无位置传感器技术的基础上，设计基于DSP的煤矿无刷直流电机无位置传感器控制系统。TMS320F2412具有内部丰富的资源及强大的信号处理能力，软件通过检测反电动势过零信号和电流信号进而计算电机的位置、电流及转速等，实现系统开环启动和闭环控制，简化了控制系统的硬件结构，提高了系统稳定性和控制精度，使煤矿无刷直流电机得到高效可靠控制。

参 考 文 献

[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社.

[2] 王晓明， 王玲. 电动机的DSP控制[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2004.

[3] 王京峰， 孙纯祥. 基于DSP的永磁无刷直流电动机速度控制[J]. 微电机， 2006， 39 （1）： 69272

【摘要】 针对煤矿无刷直流电机无位置传感器技术进行研究，设计无位置传感器控制系统的整体结构和软件程序，并对系统进行分析。该系统简化了硬件电路设计，具有结构简单、稳定性好和可控性强等特点，是煤矿无刷直流电机控制的理想选择。

【关键词】 煤矿 直流电机 无位置传感器 控制

在矿用各类电机中，无刷直流电机具有调速特性好、输出转矩大及过载能力强等优点。传统转子位置检测时多采用霍尔传感器或光电编码器，不但增加了电机的体积和成本，还降低了电机运行的可靠性（传感器供电、信号处理和传输线路众多），同时，在煤矿井下恶劣的工作环境下传感器的性能降低，甚至无法正常工作。此外，传感器的安装精度还影响着电机的性能，使得生产工艺难度大大增加。

随着科技的迅猛发展，电力电子技术和电机控制理论不断进步，各类用于煤矿无刷直流电机控制的处理器功能不断增强，运行和数据处理速度也发生了质的飞越，为无刷直流电机无位置传感器控制技术的发展奠定基础。TMS320X2812是专业用于无刷直流电机的控制芯片，能够在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算，能够完成64位数据处理，从而使该处理器能够实现高精度的处理任务。编写控制算法的软件程序，可以实现模糊控制、神经元控制和自适应控制等，从而提高无刷直流电机的控制精度。本文主要研究煤矿无刷直流电机无位置传感器控制技术，并对控制系统的可行性进行详细分析。

一、无传感器位置检测技术

根据电机转子位置变化而改变功率器件的导通顺序，电机转子磁场和绕组电流产生的磁场相互作用产生稳定的电磁推力，保证煤矿无刷直流电机能够可靠运行。煤矿无刷直流电机转子位置检测是电机控制技术首先要解决的问题，位置检测技术发展经历了位置传感器检测技术和无位置传感器检测技术两个阶段。无位置传感器技术通过检测电机的磁链、电压和电流等物理量，然后经过DSP进行计算得到电机转子位置信息。现行主要的检测方法有端电压检测法、反电势过零检测法、瞬时电压方程法和续流二极管工作状态检测法等，本文采用反电势过零检测法对煤矿无刷直流电机转子位置进行检测。

因为反电动势很难直接进行测量，所以反电势过零检测法是通过比较电机三相绕组端电压进而间接得到过零信号。图1为煤矿无刷直流电机A相绕组的等效原理图，图中Ra为A相电阻，La为A相电感， Ea为A相反电势，V为三相绕组星形连接时中点对地的电压，R为分流电阻，Va为A相端电压。Va的值经过DSP内部程序计算得到，具体计算过程如下式：

（1）

图1 A相等效原理图

二、控制系统设计

由于煤矿无刷直流电机的转矩来源于定子磁场和转子磁场之间的相互作用，电机三相绕组的导通顺序根据转子位置改变而变化，即转子位置直接决定电机的绕组导通顺序，所以转子位置检测是控制系统要解决的首要问题。煤矿无刷直流电机的输出转矩大小取决于转子电流的大小，调速系统实质就是调节三相绕组中的电流大小，电流检测是控制系统要解决重要问题。煤矿无刷直流电机三相绕组电流为方波直流，电流与电压成正比，所以通过调节电压的幅值来实现对电流的控制。系统调速是采用PWM控制方式，系统运行时处理器（DSP）将电流信号与给定值相比较，利用电流闭环调节PWM信号的占空比进而调节逆变器的输出电压值，实现系统的电流控制和速度调节，煤矿无刷直流电机无位置传感器控制系统原理如图2所示。

控制系统换向和速度检测是通过软件程序实现的，电机开始运行时根据开环启动程序完成，运行过程中通过检测各相绕组反电势的过零点实现电机绕组的准确换向，DSP根据信号捕捉引脚获取的反电势过零点次数来计算电机的转速，为速度闭环控制提供速度反馈。DSP采集霍尔电流传感器检测的电流信号，并经过运算处理得到电机的电流值，为电流闭环控制提供反馈信息。开环启动程序如图3所示，设系统相序控制变量为phase，开、闭环标识变量为flga，当flga=1为开环；flga=0为闭环。开始时，令phase=0，系统先导通AB两相，flga=1，表示进入开环启动状态。在定时器T2中设置A、B两相导通的预定为时间，当T2减小到零，发送换向信号phase=phase+1。Phase的值为0、1、2、3、4、5时，对应绕组的导通顺序为AB、AC、BC、BA、CA和CB。当phase=6时对它清零，同时令flga=0，接着进入无位置传感器闭环控制程序。 开环启动过程中需要通过程序将PWM信号占空比设置逐渐增大，以使电机转速不断提高，换向时间要逐渐减小，以保证对换向的可靠控制。

三、结束语

本文在介绍数字信号处理器和无位置传感器技术的基础上，设计基于DSP的煤矿无刷直流电机无位置传感器控制系统。TMS320F2412具有内部丰富的资源及强大的信号处理能力，软件通过检测反电动势过零信号和电流信号进而计算电机的位置、电流及转速等，实现系统开环启动和闭环控制，简化了控制系统的硬件结构，提高了系统稳定性和控制精度，使煤矿无刷直流电机得到高效可靠控制。

参 考 文 献

[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社.

[2] 王晓明， 王玲. 电动机的DSP控制[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2004.

[3] 王京峰， 孙纯祥. 基于DSP的永磁无刷直流电动机速度控制[J]. 微电机， 2006， 39 （1）： 69272

【摘要】 针对煤矿无刷直流电机无位置传感器技术进行研究，设计无位置传感器控制系统的整体结构和软件程序，并对系统进行分析。该系统简化了硬件电路设计，具有结构简单、稳定性好和可控性强等特点，是煤矿无刷直流电机控制的理想选择。

【关键词】 煤矿 直流电机 无位置传感器 控制

在矿用各类电机中，无刷直流电机具有调速特性好、输出转矩大及过载能力强等优点。传统转子位置检测时多采用霍尔传感器或光电编码器，不但增加了电机的体积和成本，还降低了电机运行的可靠性（传感器供电、信号处理和传输线路众多），同时，在煤矿井下恶劣的工作环境下传感器的性能降低，甚至无法正常工作。此外，传感器的安装精度还影响着电机的性能，使得生产工艺难度大大增加。

随着科技的迅猛发展，电力电子技术和电机控制理论不断进步，各类用于煤矿无刷直流电机控制的处理器功能不断增强，运行和数据处理速度也发生了质的飞越，为无刷直流电机无位置传感器控制技术的发展奠定基础。TMS320X2812是专业用于无刷直流电机的控制芯片，能够在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算，能够完成64位数据处理，从而使该处理器能够实现高精度的处理任务。编写控制算法的软件程序，可以实现模糊控制、神经元控制和自适应控制等，从而提高无刷直流电机的控制精度。本文主要研究煤矿无刷直流电机无位置传感器控制技术，并对控制系统的可行性进行详细分析。

一、无传感器位置检测技术

根据电机转子位置变化而改变功率器件的导通顺序，电机转子磁场和绕组电流产生的磁场相互作用产生稳定的电磁推力，保证煤矿无刷直流电机能够可靠运行。煤矿无刷直流电机转子位置检测是电机控制技术首先要解决的问题，位置检测技术发展经历了位置传感器检测技术和无位置传感器检测技术两个阶段。无位置传感器技术通过检测电机的磁链、电压和电流等物理量，然后经过DSP进行计算得到电机转子位置信息。现行主要的检测方法有端电压检测法、反电势过零检测法、瞬时电压方程法和续流二极管工作状态检测法等，本文采用反电势过零检测法对煤矿无刷直流电机转子位置进行检测。

因为反电动势很难直接进行测量，所以反电势过零检测法是通过比较电机三相绕组端电压进而间接得到过零信号。图1为煤矿无刷直流电机A相绕组的等效原理图，图中Ra为A相电阻，La为A相电感， Ea为A相反电势，V为三相绕组星形连接时中点对地的电压，R为分流电阻，Va为A相端电压。Va的值经过DSP内部程序计算得到，具体计算过程如下式：

（1）

图1 A相等效原理图

二、控制系统设计

由于煤矿无刷直流电机的转矩来源于定子磁场和转子磁场之间的相互作用，电机三相绕组的导通顺序根据转子位置改变而变化，即转子位置直接决定电机的绕组导通顺序，所以转子位置检测是控制系统要解决的首要问题。煤矿无刷直流电机的输出转矩大小取决于转子电流的大小，调速系统实质就是调节三相绕组中的电流大小，电流检测是控制系统要解决重要问题。煤矿无刷直流电机三相绕组电流为方波直流，电流与电压成正比，所以通过调节电压的幅值来实现对电流的控制。系统调速是采用PWM控制方式，系统运行时处理器（DSP）将电流信号与给定值相比较，利用电流闭环调节PWM信号的占空比进而调节逆变器的输出电压值，实现系统的电流控制和速度调节，煤矿无刷直流电机无位置传感器控制系统原理如图2所示。

控制系统换向和速度检测是通过软件程序实现的，电机开始运行时根据开环启动程序完成，运行过程中通过检测各相绕组反电势的过零点实现电机绕组的准确换向，DSP根据信号捕捉引脚获取的反电势过零点次数来计算电机的转速，为速度闭环控制提供速度反馈。DSP采集霍尔电流传感器检测的电流信号，并经过运算处理得到电机的电流值，为电流闭环控制提供反馈信息。开环启动程序如图3所示，设系统相序控制变量为phase，开、闭环标识变量为flga，当flga=1为开环；flga=0为闭环。开始时，令phase=0，系统先导通AB两相，flga=1，表示进入开环启动状态。在定时器T2中设置A、B两相导通的预定为时间，当T2减小到零，发送换向信号phase=phase+1。Phase的值为0、1、2、3、4、5时，对应绕组的导通顺序为AB、AC、BC、BA、CA和CB。当phase=6时对它清零，同时令flga=0，接着进入无位置传感器闭环控制程序。 开环启动过程中需要通过程序将PWM信号占空比设置逐渐增大，以使电机转速不断提高，换向时间要逐渐减小，以保证对换向的可靠控制。

三、结束语

本文在介绍数字信号处理器和无位置传感器技术的基础上，设计基于DSP的煤矿无刷直流电机无位置传感器控制系统。TMS320F2412具有内部丰富的资源及强大的信号处理能力，软件通过检测反电动势过零信号和电流信号进而计算电机的位置、电流及转速等，实现系统开环启动和闭环控制，简化了控制系统的硬件结构，提高了系统稳定性和控制精度，使煤矿无刷直流电机得到高效可靠控制。

参 考 文 献

[1] 王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社.

[2] 王晓明， 王玲. 电动机的DSP控制[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2004.

[3] 王京峰， 孙纯祥. 基于DSP的永磁无刷直流电动机速度控制[J]. 微电机， 2006， 39 （1）： 69272