基于续流二极管法的无位置传感器控制系统设计

冯培磊，刘 冲，陈潇雅，孙 文，赵 玉，徐天奇

［1.国网新源安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市 237000；2.国电投（天津）分布式能源有限公司，天津市 300380；3.云南民族大学电气信息工程学院，云南省昆明市 65000］

1 续流二极管法

1.1 续流二极管法的介绍

续流二极管法[2]是通过检测反电动势过零点附近断开相续流二极管的通断情况来确定该相反电动势过零点的位置，并进而确定转子的位置。文献[5，6]中介绍该方法适用于120°导通方式的永磁无刷直流电机。

1.2 续流二极管定义法

无刷直流电机的三相绕组为两两导通方式，也就是每次都会有一相绕组不导通，当电机进行换相时，之前处于导通状态的两相绕组有一相会被断开，而断开的那相绕组的开关管会打开使其变为导通状态，这时断开相绕组的电流不会因为该相开关管的关断马上变为零，而是通过该相另一个桥臂的续流二极管进行续流，直到断开相反电动势过零点时才变为零。所以，如果在反电动势过零点附近检测到某个续流二极管中电流突然变为零，就可以确定当前关断相绕组为哪一相，进而确定转子的位置。

功率开关管的控制信号如图1所示，续流二极管的具体导通情况如下：开关管V1V4开通，AB相绕组通电，换相时续流二极管D3导通续流；开关管V1V6开通，AC相绕组通电，换相时续流二极管D2导通续流；开关管V3V6开通，BC相绕组通电，换相时续流二极管D5导通续流；开关管V3V2开通，BA相绕组通电，换相时续流二极管D4导通续流；开关管V5V2开通，CA相绕组通电，换相时续流二极管D1导通续流；开关管V5V4开通，CB相绕组通电，换相时续流二极管D6导通续流。

图1 功率开关管控制信号Figure 1 Power switch control signal

三相反电动势过零点与续流二极管对应关系如表1所示，在反电动势过零点附近检测到某个续流二极管递减为0即可确定转子的位置，进而实现换相。

表1 反电动势过零点与续流二极管对应关系表Table 1 The corresponding relation between the back EMF zero crossing point and the freewheeling diode

2 无位置传感器控制系统的软件设计

文献[1]中无刷直流电机无位置传感器控制系统以DSP芯片TMS320F28335为核心，通过续流二极管定义法确定反电动势过零点，进而确定转子位置，产生PWM信号并以IR2136芯片给逆变器提供驱动信号。该控制系统主要由功率电路和控制电路组成，功率电路主要包括整流电路、逆变电路和驱动电路，它把电源提供的电能经过整流电路进行转换连接到逆变电路，同时由驱动电路对逆变电路的开关管进行控制，进而控制无刷直流电机；控制电路主要包括起停电路、调速电路和位置检测电路，它对电机系统进行适当的调节，使其按着要求正常运转。控制系统的结构框图如图2所示。

图2 基于DSP无位置传感器控制系统结构框图Figure 2 Structure diagram of sensorless control system based on DSP

无刷直流电机无位置传感器控制系统的软件程序主要由主程序、中断服务程序和子程序组成，主要包括系统初始化、电机启动、转子位置检测、PWM脉冲生成、换相控制、PID转速调节等功能的实现。

2.1 主程序设计

主程序对整个系统进行了初始化，完成了电机的启动，并且实现电机闭环控制，主要包括三个重要阶段：初始化阶段、电机启动阶段、闭环运行阶段。

2.2 初始化程序设计

（1）初始化参数变量。

主要包括CPU时钟频率的赋值、PWM频率的赋值、CAP中断函数的定义及其参数的赋值、定时器T0中断函数的定义及其参数的赋值、ADC中断函数的定义、delay函数的定义、SCIB函数的定义、pidcontrol函数的定义及其参数的赋值、母线电压电流的定义、电机参数的赋值、PWM占空比的赋值等。

（2）初始化控制系统。

主要包括PLL（锁相环）的初始化、WatchDog（看门狗）的初始化和Periphreal Clocks（外设时钟）的初始化。

（3）初始化GPIO。

对GPIO输入输出口进行初始化，并将GPIO0─GPIO5配置为6路PWM信号：EPWM1A、EPWM1B、EPWM2A、EPWM2B、EPWM3A、EPWM3B，GPIO24配 置 为 ECAP1，GPIO25配置为ECAP2，GPIO26配置为ECAP3，GPIO27配置为LED1，GPIO52配置为LED3，GPIO53配置为LED2。

（4）初始化PIE。

对 PIE控制寄存器初始化至默认状态，即所有的PIE中断都被禁止，标志位都被清除；关闭所有CPU中断，清除CPU中断相关的标志位；初始化PIE中断向量表，并配置定时器TO、CAP和ADC的中断入口地址。

（5）初始化外设设备。

对CPU定时器进行初始化，配置定时器T0的频率和周期；对CAP进行初始化；对ADC进行初始化。

主程序流程图如图3所示。

2.3 电机启动程序设计

电机无位置传感器控制在静止或者低速时不能准确判断转子的位置，无法进行正确的换相处理，给电机的启动造成了困难，对此，本系统采用了“三段式启动”技术，主要分为以下三个阶段。

（1）转子预定位阶段。

对任意两相绕组通电，使转子转到与定子电枢绕组合成磁场的方向一致，并且施加一定的延迟，目的是为了等待电机的旋转轴停止振荡，接着使电机的三相绕组同时导通，使转子达到预定的位置，完成转子的预定位。

图3 主程序流程图Figure 3 Flow chart of main program

（2）电机开环加速阶段[4]。

根据转子预定位的位置，按照正确的换相顺序给电机供电，在换相过程中，增加PWM的占空比，使电机转速不断增加。

（3）自同步运行。

当转速增加到足够大时，就可以获取转子位置信息，切换到自同步运行状态，实现电机闭环运行。

2.4 中断服务程序设计

中断服务程序主要包括CAP捕获中断服务程序、定时器T0中断服务程序、ADC中断服务程序，目的是为了实现电机的换相，转速的计算以及过压和过流保护。

2.5 CAP捕获中断服务程序设计

CAP捕获中断服务程序的作用是通过CAP中断实现3个CAP捕获端口电平状态的捕获，进而确定电机当前的位置，为定时器T0中断服务程序提供换相信息，同时计算出电机的实时转速。

CAP捕获电平状态与反电动势的对应关系如图4所示，无刷主流电机为120°导通方式，中间相隔60°，一个周期进行6次换相，并且反电动势分别有3个上升沿和下降沿，分别对应了不同的换相时刻，因此将CAP的捕获端口设置为双沿触发捕获中断功能，配置三个捕获端口CAP1、CAP2和CAP3，CAP的捕获电平状态分别对应6路PWM信号，在捕捉到上升沿或者下降沿的同时，该相续流二极管递减为0，则该点即为反电动势的过零点，延迟30°电角度对电机进行换相[4]。要实现电机的闭环运行，就必须准确的计算出电机的实时转速，下面是对转速计算的软件设计。

图4 CAP捕获电平状态与反电动势的对应关系Figure 4 The correspondence between CAP capture level and back EMF

本系统研究的电机极对数为2，因此电机运行一个周期会进行12次换相，相应的也会进入12次CAP中断。定时器的定时时间为T，在定时器T0中设置一个计数器count，初始值为0，每次T0中断count自增一次，在CAP中断中设置一个计数器l，初始值也为0，每次进入CAP中断l自增一次，当CAP第一次进入中断时，可以计算出电机运转1个状态所需的时间：

计数器l自增变成1，同时定时器T0的计数器count清零，当CAP进入第二次中断时，根据式（1）同样可以计算出电机运转第二个状态的时间，并且将前两个状态的时间累加，计算出电机运转的时间：

此时计数器l自增变成2，count清零。直到l变为12时，电机运行一个周期，得到电机转动一周的总时间Sum，单位是μs，进而计算出电机的实时转速为：

电机运行一个周期进入12次CAP中断，连续两次进入CAP中断的时间间隔即为电机运转60°电角度的时间：

那么电机转过30°电角度的时间为t/2。设置标志位FLAG，电机每次进入CAP中断，FLAG置位1，跳入定时器T0中断服务程序。

2.6 定时器T0中断服务程序设计

定时器T0中断服务程序的作用主要是根据续流二极管状态确定反电动势过零点并进行延时处理，通过CAP捕获的电平状态进行换相控制，实现电机的正确换相[5]。

换相关系表如表2所示，当FLAG置位1时，跳入定时器T0中断服务程序，此时处于反电动势沿触发状态，满足续流二极管递减为0时进行延时t/2μs，延时完成后，根据CAP捕获电平状态和开关管的对应关系进行换相处理，换相完成后FLAG置位0。

表2 换相关系表Table 2 commutation relationship

2.7 ADC中断服务程序设计

ADC中断服务程序的作用是采集母线电压和电流进行模数转换并且检测，实现过压和过流保护。

在ADC中断程序中，首先对电流和电压进行采集并将转换后的电压值赋值给dcvoltage，转换后的电流值赋值给dccurrent，设置电压计数器dcvcount，电流计数器dcccount，初始值都为0，每次进入中断自增一次，由于电压和电流可能有脉动，于是采用分别将多个电压值和电流值相加求平均值的方法，当电压计数器dcvcount=500时求得电压的平均值，并将dcvcount清零，如果电压平均值大于3000，则过压指示灯LED2亮起，电机停止；当电流计数器dcccount=200时求得电流的平均值，并将dcccount清零，如果电流平均值大于3000，则过流指示灯LED3亮起，电机停止。ADC中断服务程序的流程图如图5所示。

2.8 子程序设计

本系统子程序的设计主要为PID速度调节，将给定转速与CAP中断服务程序中得到的实时转速求差值，并进行PID处理，改变PWM波形的占空比，从而对电机转速进行调节，实现电机的闭环控制。

图5 ADC中断服务程序流程图Figure 5 ADC interrupt service flow chart

PID调节系统如图6所示，比例环节的作用是使系统对转速差值能够快速响应；积分环节的作用是消除静态误差，提高调节系统的精度；微分环节的作用是体现转速差值变化趋势，使调节系统能够提早处理[7，8]。

图6 PID速度调节控制图Figure 6 PID speed control chart

设U(t)为转速的给定值，Y(t)为转速的实际值，转速给定值与实际值的差值E(t)为：

设比例系数为Kp，积分常数为Ti，微分常数为Td，差值E(t)经过PID调节器的输出值D（t）为：

对式（6）进行离散化处理为：

式（7）中k=0，1，2，3，…，设积分系数为Ki，微分系数为Kd，又

把以上两式代入到式（6）可以变为

将PID调节的输出值D（k）赋值给PWM的比较寄存器CMPR，改变PWM的占空比，完成电机的调速，进而实现闭环控制。

3 无位置传感器控制系统实验

3.1 实验平台的介绍

无刷直流电机无位置传感器控制系统的实验平台主要由以下几部分组成：①电机：无刷直流电机，极对数为2，由24V直流电源供电，连接到驱动板；②仿真器：型号为XD100V2，连接电脑和控制板；③控制板：主控DSP芯片型号为TMS320F28335，对电脑传输的数据进行处理，给驱动板提供控制信号；④驱动板：驱动芯片型号为IR2136，接受控制板发送的信号，经过处理后将驱动信号提供给电机，控制电机的旋转；⑤供电电源：主要有24V直流电源和5V直流电源，分别给驱动板和控制板供电，实验平台的实物图如图7所示。

图7 实验平台总体连接图Figure 7 Overall connection diagram of experimental platform

3.2 实验结果与分析

在给定转速为800r/min、900r/min、1000r/min的情况下，对无刷直流电机无位置控制系统进行了实验，得到转速的实时波形如图8～图10所示。

控制板和驱动板接入电源，运行程序后，电机能够正常旋转，由波形可以看出，不论给定转速为多少，电机都可以在很短的时间内达到稳定，并且稳定在给定转速的大小附近，验证了基于续流二极管法无刷直流电机无位置传感器控制系统设计的合理性。

图8 给定转速800r/min时的转速波形Figure 8 Speed waveform at a given speed of 800r/ min

图9 给定转速900r/min时转速波形Figure 9 Speed waveform at a given speed 900r/min

图10 给定转速1000r/min时的转速波形Figure 10 Speed waveform of a given speed 1000r/min

4 总结

在续流二极管定义法的基础上建立了无刷直流电机无位置传感器控制系统，经过多次实验，电机都能快速响应并且稳定运行，充分地说明了该控制系统设计的合理性以及可行性。使用DSP芯片TMS320F28335建立控制系统，利用CAP捕获寄存器中断实现了电机的正确换相，并且根据中断时间准确计算出了电机的实时转速，进而通过PID调节系统是实现了电机的闭环控制，节约了成本，简化了电路，证明了该芯片在电机控制方面的强大优势。

基于续流二极管法的无刷直流电机无位置传感器控制系统，通过续流二极管定义法实现了转子位置检测，在CCS4.1.2平台上实现了无位置传感器控制系统的软件设计，以TMS320F28335为DSP主控芯片，经过软硬件的结合，实现了电机的闭环控制，使电机稳定运行。