基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统设计.pdf

第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 5 6-0 4基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统设计许 晨(宿州职业技术学院,安徽 宿州2 3 4 0 0 0)摘 要:针对传统无刷直流电机直接转矩控制系统的缺陷,设计出了直流电源电路、主电路、母线电流、电压采样电路、霍尔传感器位置检测电路等内容,完成了硬件系统的设计。详细阐述了总体设计方案、主程序模块、中断服务程序模块等内容,完成了软件系统的设计。同时进行了控制系统实验平台搭建及分析,证明了改进直接转矩控制系统的可行性。关键词:无刷直流电机;直接转矩控制系统;霍尔信号;转子位置中图分类号:TM 3 3 文献标识码:A0 引 言随着我国电子产业的快速发展,电机控制技术不断得到突破和创新,正在向着数字化、智能化方向快速发展,多种控制算法在电机控制系统中应用越来越广,然而传统的无刷直流电机的双闭环P I D控制,其稳定性较差,为此直接转矩控制技术(D i-r e c tT o r q u eC o n t r o l,D T C),在无刷直流电机中应用越来越广。文献1-6 均研究了无刷直流电动机控制技术,进行了MAT L A B仿真,但未完善直接转矩控制系统的软硬件进行设计和验证实验。综上所述,基于霍尔信号,从控制系统的硬件模块设计与软件主程序模块、中断服务程序模块设计入手,研究了无刷直流电机直接转矩控制系统,力求达到改进直接转矩控制结构的目的,并以实验验证设计的可行性。1 电机控制系统硬件设计无刷直流电机控制系统选用TM S 3 2 0 F 2 8 1 2芯片,总体设计主控电路和无刷直流电机驱动电路模块,其中驱动电路由供电电路、三相全桥逆变电路、电压/电流采集电路和位置检测电路所组成,结构如图1所示。1.1 直流电源电路设计对电机的驱动需要稳定的直流电源,因此使用1 5 V和5 V直流电源,其中输入电源为D C2 4 V,1 5 V电源与5 V电源采用LM 2 5 9 6系列芯片电路输出。电源电路图如图2(1)所示。图1 电机控制系统结构图1.2 主电路设计此项设计是驱动电路的核心,主电路利用开关器件把直流电压转换成交流电压(逆变)。系统选用三相全桥逆变电路,其结构形式是利用六个功率开关器件(G TO,I G B T,MO S等)组成的三相全桥逆变电路,G TO适合应用于大、中容量变流装置,I G B T适合应用于直流电压为6 0 0 V及以上的变流系统,MO S适合应用于小型直流无刷电机。因此采用I R F 5 4 0 N的MO S管作为功率开关器件,D S P输出的PWM经过光电隔离后送入驱动芯片,由驱动芯片驱动MO S F E T7。驱动器使用I R 2 1 0 1 S,它可以驱动某相上下桥臂2个MO S管。主电路设计使用驱动芯片加三相全桥逆变电路的电路图如图2(2)所示。收稿日期:2 0 2 3-0 4-1 3基金项 目:安 徽 省 自 然 科 学 研 究 重 点 项 目(K J 2 0 1 9 A 1 0 5 9);2 0 2 2年 度 安 徽 省 高 校 科 研 项 目(自 然 科 学 类,重 点)(2 0 2 2 AH 0 5 2 7 6 6)。作者简介:许晨(1 9 8 2-),男,安徽宿州人,副教授,硕士,研究方向:电工电子。第4期许 晨:基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统设计1.3 母线电流、电压采样电路设计(1)单电阻采样电路单电阻采样(母线电流采样)一般将采样电阻串联在直流母线端来进行采样,适用于系统过流保护,受逆变桥开关状态影响,需要在一个周期内至少采样2次,并对采样电流重构补偿,同时把握好采样时刻才能获取有效电流数据。系统选用小电阻采样法进行采集母线电流,其具有检测简单、成本较低的特点,采样方式为单电阻(0.0 2 5)+单运放。单电阻采样得到的电压信号经放大器放大1 1倍后送入端口A D 0中,其输出电压信号幅值范围是0+3 V之间。单电阻采样电路如图2(3)所示。(2)母线电压采样电路电机控制器在工作时,需要通过采样电路对母线电压进行采样,根据该母线电压来执行电机控制算法。系统采用电阻分压法设计电路。如图2(3)所示R 3 6(1 5 K)和R 3 8(1 K)是分压电阻,为保护电机不受损坏,A D 1输出电压信号幅值范围应为0+3 V。C 1 6为PWM波信号的干扰滤波电容。图2 控制系统硬件图1.4 霍尔传感器位置检测电路设计电机运行时会产生3个霍尔信号(互差1 2 0,脉冲宽度1 8 0)。其时序图中s 1-s 6分别对应6个状态,每一个状态的电气角度是6 0,其中6个状态对应霍尔信号逻辑电平及6个空间电压矢量。一个周期内将得到的信号经滤波处理后输入到数字信号处理器(D S P)中,具体为通过电路中的上拉电阻对输出的HA L L 1-3信号上拉,提高输出的高电位电压,再由R C滤波后送入C A P 1-3模块,如图2(4)所示。2 电机控制系统软件设计软件程序设计是无刷直流电机直接转矩控制算法的关键,首先建立无刷直流电机直接转矩控制系统总体框架,然后再完成各个模块。2.1 总体设计方案在传统的直接转矩控制基础上进行两方面的优化:采用两相导通的情况下简化定子磁链观测和改进电磁转矩观测方法,实现改进直接转矩控制设计。系统的软件由主程序和中断子程序两个部分组成。软件程序基于C C S 3.3开发,系统的总设计流程图,如图3所示。2.2 电机直接转矩控制系统主程序模块主程序模块由六个初始化单元和一个电机开环启动单元组成。(1)初始化单元:系统初始化主要完成时钟和看门狗、G P I O模块、A D C模块、E V模块、P I E控制寄存器模块和中断向量表等部分的初始化程序。(2)电机开环启动单元:由上一流程进入电机开环启动环节。由于本文设计的是无须初始定位的D T C系统,在一定占空比下依次A BA CB CB AC AC B通电,电机可以开环启动。当电机平稳运行后,打开捕获中断,系统就可以执行控制算法。2.3 中断服务程序模块中断服务程序功能是通过霍尔传感器获取转子位置信息而控制定子绕组各相通电状态,完成换75佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年相。它通过获得的位置信息得出电机的实际转速,并与电机的设定转速比较,经过算法调节后将实际转速与设定转速偏差降低甚至消除。中断由捕获中断、定时器1周期和2周期中断三个部分所组成。图3 总设计流程图(1)C A P捕获中断捕获中断主要是通过霍尔传感器捕获无刷直流电机的位置信号,以此完成正确的换相。在一个周期捕获6组霍尔逻辑信号并与6个空间电压矢量相对应,根据表1可以选定相应的空间电压矢量。表1 直接转矩控制优化后的D T C电压矢量开关表扇区HAHBHC逆时针=1=0顺时针=1101V 6V 0V 3100V 1V 0V 4110V 2V 0V 5010V 3V 0V 6011V 4V 0V 1001V 5V 0V 2 同上,霍尔信号还可以用来计算电机的实际转速,即电机角速度如公式(1):=/3P tn=6 02 (1)式(1)中:P为电机极数;t为相邻脉冲沿的时间间隔;为电机角速度;n为电机的实际转速。读取C A P 1-3的霍尔信号,以定时器2作为时间基准,根据变化,采用霍尔信号上/下沿捕获方式。(2)定时器1周期中断在中断服务程序中对电压和电流信号进行采集,同样设定定时器1的计数模式为连续递增,工作周期为5 0 u s,死区设定时间为2.5 u s。进入定时中断后,A D C在每个PWM“开”期间的中 部开始采样 一次电压电 流,采样周 期为5 0 u s,即频率为2 0 k H z。根据系统转速调节特点,设定转速调节周期为2 5 0 m s。(3)定时器2周期中断同上,定时器2周期中断接收到霍尔信号变化就可以确定周期,而后计算出电机转速。3 基于霍尔信号的无刷直流电机控制系统实验平台搭建及分析 在完成基于霍尔信号的无刷直流电机控制系统软硬件设计后,需要对其进一步实验验证。通过实验对设计软、硬件模块进行验证和修改,以期完善整个控制系统。3.1 实验平台的搭建选择无刷直流电机、D S P 2 8 1 2核心控制板、驱动器、2 4 V开关电源、示波器、仿真器等部件搭建基于霍尔信号的无刷直流电机控制系统的实物实验平台,选用本地市面上常见的5 7 B L系列无刷直流电机进行实验。3.2 实验结果分析实验中,对基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统进行测试,电机给定转速1 5 0 0 r p m,系统空载运行,其实验结果如下:(1)霍尔信号波形分析如图4(1)所示,三路互差1 2 0 的霍尔信号,上升沿或下降沿相隔6 0,检测到跳变沿之后触发捕获,完成转子位置的确定,并对应电压空间矢量。依照波形数据,根据公式(1)计算出可以计算出当前电机转速约为1 5 6 1 r p m。(2)三相端电压波形分析图4(2)为电机三相端电压波形。可以看出,受到续流二极管的作用,每个端电压两侧都有倾斜部分。(3)MO S管输入波形分析为减小MO S管开关损耗,本文采用单极性脉冲调制方式,同一时刻只有一个MO S管在斩波。图4(3)为三相全桥某一桥臂上下MO S管的导通波形图。从图中可以看出当同一桥臂上桥D T C调制时,下桥关断,且软件编程设置了死区,避免上下桥MO S管同时导通的现象出现。图4(4)为三相全桥某相上桥与其他相下桥的MO S管导通波形,此时该相上桥与其他相下桥导通,依此类推。(4)母线电压波形分析在电机母线电压波形如图4(5)所示。利用电阻分压法对电压采样,根据1.3节的内容,分压比约为1 6:1。图中,电压为5 0 0 mV/格,通过计算母线电压稳定在2 2 V左右,此时电机正常运转。85第4期许 晨:基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统设计图4 实验分析图 (5)母线电流波形分析如图4(6)所示,使用小电阻采样法对母线电流进行采样,然后放大1 1倍即可间接求出电压值。图中,电压为5 0 0 mV/格,波形电压在0.4 5 V0.1 5 V左右,转换电流值为1.7 5 A0.5 5 A,电流波形较平稳,波动较小,波形比较稳定。综上所述,通过搭建改进直接转矩控制系统实物实验表明,系统通过识别霍尔信号,可以准确选取空间电压矢量,系统的控制效果较好。4 结 语设计了基于霍尔信号的无刷直流电机直接转矩控制系统,设计出了直流电源电路、主电路、母线电流、电压采样电路、霍尔传感器位置检测电路等内容。其次,详细阐述总体设计方案、主程序模块、中断服务程序模块等内容。最后在此基础上进行了基于霍尔信号的无刷直流电机控制系统实验平台搭建及分析,证明了直接转矩控制系统的可行性,为后续研究电机多工况优化控制打下了基础。参考文献:1 杨荣金,王仲根.无刷直流电机直接转矩控制策略的仿真研究J.安徽理工大学学报(自然科学版),2 0 1 8(1):1 3 9-1 4 4.2 张家俊,商高高.电动拖拉机用无刷直流电机直接转矩控制研究J.农业技术与装备,2 0 1 8(0 5):7 9-8 2+8 4.3 高佩文,李乾坤,刘圣荇,等.基于P r o t e u s的无刷直流电机控制系统设计J.电工电气,2 0 2 1(0 5):1 9-2 1.4 李珍国,章松发,周生海,等.考虑转矩脉动最小化的无刷直流电机直接转矩控制系统J.电工技术学报,2 0 1 4(1):1 3 9-1 4 6.5 肖平,陶继忠,雷艳华.基于占空比调节的无刷直流电机直接转矩控制方法J.微电机,2 0 1 7(0 5):6 3-6 6.6 纪永生.无刷直流电机直接转矩控制的优化措施J.中国高新科技,2 0 1 8,(0 9):7 8-8 0.7 王捷,艾红.无刷直流电机转速闭环控制系统设计J.自动化技术与应用,2 0 1 7,3 6(0 9):2 2-2 6.D i r e c tT o r q u eC o n t r o l o fB r u s h l e s sD CM o t o rB a s e do nH a l lP o s i t i o nS i g n a lXUC h e n(S u z h o uV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,S u z h o uA n h u i 2 3 4 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ed e f e c t so f t h et r a d i t i o n a lb r u s h l e s sD C m o t o rd i r e c t t o r q u ec o n t r o l s y s-t e m,t h eD Cp o w e r s u p p l yc i r c u i t,m a i nc i r c u i t,b u s c u r r e n t,v o l t a g e s a m p l i n gc i r c u i t,H a l l s e n s o r p o s i-t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t a n ds oo na r ed e s i g n e d,a n dt h eh a r d w a r es y s t e mi sd e s i g n e d.T h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m e,m a i np r o g r a m m o d u l e,i n t e r r u p t s e r v i c ep r o g r a m m o d u l ea n ds oo na r ed e s c r i b e d i nd e t a i l,a n dt h es o f t w a r es y s t e mi sd e s i g n e d.A t t h es a m e t i m e,t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo f t h ec o n t r o l s y s t e mi sb u i l t a n da n a l y z e d,w h i c hp r o v e s t h e f e a s i b i l i t yo f i m p r o v i n gt h ed i r e c t t o r q u ec o n t r o l s y s t e m.K e yw o r d s:b r u s h l e s sD Cm o t o r;d i r e c t t o r q u ec o n t r o l;H a l l s i g n a l;r o t o rp o s i t i o n95