无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.94M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制

1 简介

2 BLDC 电机

3 BLDC 电机控制

4 系统拓扑

4.1 三相反相器

4.2 电流感测

4.3 反电动势过零点计算

4.4 换相点上的电气运行方式

4.5 换相即时计算

5 32 位 C2000 控制器针对数字电机控制 (DMC) 的优势

6 TI 文献和数字电机控制 (DMC) 库

6.1 系统概览

7 硬件配置（HVDMC R1.1 套件）

7.1 运行 HVBLDC_Sensorless 项目的软件设置指令

8 递增系统构建用于无传感器 BLDC 项目

8.1 1 级递增构建

8.2 2 级 - 递增构建

8.3 2A 级 - 开环测试

8.4 2B 级 - ADC 验证和偏移校正

8.5 3 级递增构建

8.6 4 级递增构建

8.7 5 级 - 递增构建

8.8 6 级递增构建

应用报告 ZHCA559–July 2013 无无刷刷直直流流 (BLDC) 电电机机的的无无传传感感器器梯梯形形控控制制 Bilal Akin and Manish Bhardwaj 摘摘要要这份应用报告提出了使用 TMS320F2803x 微控制器控制无刷直流电机的解决方案。 TMS320F280x 器件是 C2000™ 系列微控制器的部件，它通过减少系统组件实现用于三相电机的智能控制器的成本有效设计，并且提高了效率。使用这些器件，有可能实现更加精确的控制算法。下面给出了一个完整的解决方案：可在本文档中找到控制结构、电源硬件拓扑、控制硬件和对能量转换效率的评价。这份应用报告涵盖了以下内容： • 梯形 BLDC 电机控制原理的理论背景 • 基于模块化软件块的递增构建级 • 试验结果 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 内内容容简介 ........................................................................................................................... 2 BLDC 电机 ................................................................................................................... 3 BLDC 电机控制 .............................................................................................................. 4 系统拓扑 ...................................................................................................................... 6 32 位 C2000 控制器针对数字电机控制 (DMC) 的优势 ................................................................ 10 TI 文献和数字电机控制 (DMC) 库 ....................................................................................... 11 硬件配置（HVDMC R1.1 套件） ........................................................................................ 15 递增系统构建用于无传感器 BLDC 项目 ................................................................................ 18 图图片片列列表表具有一个永磁对极转子的三相同步电机................................................................................... 3 针对一个 BLDC 电机的速度和电流控制环路配置 ....................................................................... 5 两相打开运行和转矩纹波内的电气波形................................................................................... 6 正弦波电机内的转矩纹波被控制为一个 BLDC........................................................................... 6 三相反相器................................................................................................................... 6 依据 PWM 占空比的分流电阻器压降（软斩波）........................................................................ 7 HDMC 套件上的反电动势感测............................................................................................. 8 定子端子电气模型........................................................................................................... 9 典型电流和反电动势波形正弦波 BLDC 电机驱动 ....................................................................... 9 一个 3 相 BLDC 驱动实现 ................................................................................................ 13 BLDC 电机霍尔传感器控制的总体方框图 .............................................................................. 13 软件流....................................................................................................................... 14 使用交流电源生成直流总线电源 ......................................................................................... 16 使用外部直流电源为反相器生成直流总线 .............................................................................. 17 PWM 输出：PWM 1（黄色），PWM 2（粉色）和 PWM 5（绿色），PWM 6（蓝色）........................ 20 1 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 21 C2000, Code Composer Studio are trademarks of Texas Instruments. All other trademarks are the property of their respective owners. ZHCA559–July 2013 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 1 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated

简介 www.ti.com.cn 霍尔效应传感器的输出，霍尔 A，B 和 C............................................................................... 23 PWMDAC 输出 BemfA，BemfB 和 BemfC (Vdcbus = 160V) ....................................................... 23 (a) mod6 计数器 (b) 脉冲输出，dlog.prescalar = 3 ................................................................... 24 (a) mod6 计数器，(b) BemfA, (c) BemfB 和 (d)BemfC (dlog.prescalar = 25 而 Vdcbus = 160V) .............. 24 2 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 25 (a) Neutral, (b) DebugBemf, (c) BemfA 和 (d)BemfB (VdcBus = 160V)............................................ 27 3 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 28 (a) mod6 计数器，(b) BemfA, (c) BemfB 和 (d) BemfC (dlog.prescalar = 25 而 Vdcbus = 160V) ............. 30 PWMDAC 输出 a) BemfA, (b) BemfB, (c) BemfC 和 (d) mod6 计数器 (Vdcbus = 160V)........................ 30 4 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 31 (a) mod6 Counter, (b)BemfA, (c) BemfB (c)BemfC (dlog.presalar = 25 而 Vdcbus = 160V).................... 33 PWMDAC 输出 a) BemfA, (b) BemfB, (c)BemfC 和 (d) mod6 计数器 (Vdcbus = 160V) ........................ 33 5 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 34 (a) mod6 计数器，(b) BemfA, (c) BemfB (c)BemfC（无负载，速度 0.25pu 时，Vdcbus = 160V） ........... 35 PWMDAC 输出 a) BemfA, (b) BemfB, (c)BemfC 和 (d) mod6 计数器（无负载，速度 0.25pu 时，Vdcbus = 160V）.................................................................................................................... 36 6 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 37 BLDC 和 PMSM 电机间的比较............................................................................................ 3 观察窗口变量............................................................................................................... 18 每个递增系统构建中的已测试模块 ...................................................................................... 18 图图表表列列表表 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 2 3 1 简简介介经济吃紧和政府制定的新标准对电气系统提出了越来越严格的要求。新一代设备必须具有更高的性能参数，诸如更加的效率和减少的电磁干扰。必须具有较高的系统灵活性以使市场改进更加方便，并且减少开发时间。所有这些改进必须与减少系统成本同时实现。无刷电机技术使实现这些技术规范变为可能。这样的电机将高可靠性与高效率组合在一起，并且相对于有刷电机，无刷电机的成本更低。本文档对无刷直流 (BLDC) 电机的使用进行了说明。虽然可将无刷特点应用于几种类型的电机（交流同步电机、步进电机、开关磁阻电机和交流感应电机），BLDC 电机在传统上被定义为一个具有梯形反电动势波形形状的永磁同步电机。具有梯形反电动势和（120 电角宽度）矩形定子电流的永磁同步机器被广泛使用，这是因为它们首先提供了以下优势，假定电机具有纯粹梯形反电动势并且定子相位换相过程准确，此电机产生的机械转矩是恒定的。其次，无刷直流驱动器显示出极高的机械功率密度。 2 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 ZHCA559–July 2013 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated

www.ti.com.cn 2 BLDC 电电机机 BLDC 电机是一个在转子（移动部分）上具有永磁体，而在定子上（固定部分）上具有绕组的交流同步电机。永磁体生成转子磁通，而通电的定子绕组产生磁极。转子（与一个条状磁体等效）被通电定子相位吸引。通过使用适当的序列来为定子相位供电，在定子上创建并保持了一个旋转磁场。转子的这个跟随定子上磁极的操作，是同步永磁电机内使用的基本操作。必须控制转子和旋转磁场间的导程以产生转矩，而且这个同步表示对转子位置的了解。 BLDC 电机图图 1. 具具有有一一个个永永磁磁对对极极转转子子的的三三相相同同步步电电机机在定子端，三相电机是最常见的。这些电机在精确控制和控制定子电流所需的电力电子器件的数量之间提供一个良好的折衷。对于转子，大量的磁极通常针对同一电平的电流生成更大的转矩。另一方面，通过添加更多的磁体，会达到一个点，由于磁体之间所需的空间，在这个点上，转矩不再增加。制造成本也会随着磁极的数量的增加而增加。因此，磁极的数量是成本、转矩和体积之间的一个折衷因素。可使用很多方法对永磁同步电机进行分类，但是应关注其中的两个依赖于反电动势系统配置的分类方法：无刷直流 (BLDC) 电机和永磁同步电机 (PMSM)。这个术语定义了同步电机反电动势的形状。 BLDC 和 PMSM 电机在转子上都具有永磁体，但是它们的磁通分布和反电动势系统配置是不同的。为了获得同步电机的最佳性能，识别电机的类型十分重要，以按照下面部分描述的那样采用最合适的控制类型 BLDC 同步机器直流供电梯形反电动势定子磁通位置每 60°换相同一时间只有两个相位打开 (ON) 换相时的转矩纹波可闻范围内的低阶电流谐波由谐波含量造成的更高内核损耗更少的开关损耗控制算法相对简单表表 1. BLDC 和和 PMSM 电电机机间间的的比比较较 BLDC 和和 PMSM 电电机机间间的的比比较较 PMSM 同步机器正弦电流供电正弦反电动势持续定子磁通位置变化有可能在同一时间打开三个相位换相时无转矩纹波由正弦激发造成的更少谐波更低的内核损耗同一开关频率上的更高开关损耗控制算法是数学密集型 • 两个电机类型都是同步机器。它们之间的唯一区别是感应电压的形状不同，造成这一差异的原因是两个不同的定子线圈的接线方式。反电动势在 BLDC 电机中是梯形的，而在 PMSM 电机情况下为正弦曲线。 • BLDC 机器应该由正弦电流驱动，而 PMSM 由直流驱动，但是为了获得更佳的性能，PMSM 电机应该由正弦电流激发，BLDC 机器应该由直流激发。 • 很难用模拟技术实现几个电流传感器和正弦相位电流所要求的正弦电机的控制结构（硬件和软件）。因 ZHCA559–July 2013 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 3 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated NSACBABC

BLDC 电机控制 www.ti.com.cn 此，出于成本和简单性的考虑，很多电机（类似于梯形的正弦曲线）由直流驱动（低分辨率位置传感器和单个低成本电流传感器），从而在效率和动态运行方式之间达到平衡。 • C2000 数字信号处理器 (DSP) 控制器处理的数字技术使得为每个电机类型选择适当的控制技术成为可能：处理能力被用来从机器获得最佳性能，并且减少系统成本。可能的选项是使用无传感器技术来减少传感器成本，或者甚至免除对它们的需要，并且复杂算法可有助于简化机械驱动链设计，从而降低了系统成本。 3 BLDC 电电机机控控制制 BLDC 电机的有效转矩和速度控制的关键是基于相对简单地转矩和反电动势等式，这与直流电机的那些等式相类似。反电动势振幅可表示为：而转矩项为：在这里，N是每相位绕组匝数的数量，I是转子的长度，r是转子的内部半径，B是转子磁体磁通密度，w是电机的角速率，I是相位电流，L是相位电感，θ 是转子位置，R 是相位电阻。转矩表达式中的头两项是寄生磁阻转矩分量。第三项产生互转矩，这是在 BLDC 电机情况下使用的转矩产出机制。总之，反电动势与电机速度直接成比例，而转矩产量大体上与相位电流直接成正比。这些因素导致图 2中显示的 BLDC 电机速度控制系统配置。 4 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 ZHCA559–July 2013 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated 1142222dLdRNTiBBrliddpqqpæöæöæö=-+ç÷ç÷ç÷èøèøèø2ENlrBw=

www.ti.com.cn BLDC 电机控制图图 2. 针针对对一一个个 BLDC 电电机机的的速速度度和和电电流流控控制制环环路路配配置置 BLDC 电机的特点是两相位打开运行以控制反相器。在这个控制系统配置中，转矩产量遵循的原则是每次电流应该只流入三相中的两个，并且在反电动势过零区域中不应该产生转矩。图 3描述了两相位打开运行中 BLDC 电机内的电气波形。这个控制结构具有几个优势： • 一次只需要控制一个电流 • 只需要一个电流传感器（或者如下一个部分详述的那样，只针对速度环路的话，无需电流传感器） • 电流传感器的定位可将低成本传感器用作一个分路 BLDC 电机的原理始终是为相位对加电，这可产生最高的转矩。为了优化这个效果，反电动势形状为梯形。理论上，直流与梯形反电动势的组合使得有可能产生一个恒定转矩。实际上，不应在一个电机相位中即时建立电流；因此，转矩纹波出现在每次 60°相位换相时。 ZHCA559–July 2013 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 5 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated (a)(b)(c)SpeedSpeedComputationZero CrossingDetection and DelayPhase VoltageMeasurement3 PhaseInverterSynchronization/PWM ControlPIControllerSpeedReference+–3 PhaseBLDCMotorSpeedSpeedComputationZero CrossingDetection and DelayPhase VoltageMeasurement3 PhaseInverterSynchronization/PWM ControlPIDCoptrollerPIControllerSpeedReference+–I refI phase3 PhaseBLDCMotorZero CrossingDetection and DelayPhase VoltageMeasurement3 PhaseInverterSynchronization/PWM ControlPIDControllerI ref+–3 PhaseBLDCMotor+–I phase

系统拓扑 www.ti.com.cn 图图 3. 两两相相打打开开运运行行和和转转矩矩纹纹波波内内的的电电气气波波形形如果使用的电机具有一个正弦反电动势形状，可采用这个控制，但是产生的转矩为： • 非恒定但是由一个正弦波的部分组成。这是由于它是一个梯形电流控制策略和一个正弦波反电动势的组合。请牢记，由正弦波策略（三相打开）控制的正弦波反电动势波形电机产生恒定转矩。 • 产生的转矩值变弱。图图 4. 正正弦弦波波电电机机内内的的转转矩矩纹纹波波被被控控制制为为一一个个 BLDC 4 系系统统拓拓扑扑 4.1 三三相相反反相相器器 BLDC 电机控制由电机相位中生成的直流组成。这个控制被细分为两个独立操作：定子和转子磁通同步，以及电流值的控制。两个操作都通过图 5中图示的三相反相器实现。图图 5. 三三相相反反相相器器 6 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 ZHCA559–July 2013 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated Q1ShuntResistorFullCompareUnitADCINyBLDCQ2Q3Q4Q5Q6qTorqueqqqqIcEcIEbIaEaPhase CPhase BPhaseATorque

www.ti.com.cn 系统拓扑磁通同步来自传感器，或无传感器技术提供的位置信息。根据位置，控制器确定必须驱动的晶体管（Q1 至 Q6）中的适当成对晶体管。可通过两种不同模式中的任何一个来将电流调节至固定 60°基准。 • 脉宽调制 (PWM) 模式：在一个固定频率上，电源电压由一个取决于电流误差的占空比斩波。因此，可以控制电流和电流的变化速率。两相电源持续时间受到两相换相角的限制。 PWM 策略的主要优势是斩波频率是一个固定参数；因此，可闻和电磁噪声的滤除相对简单。有两种处理驱动电流开关的方式：硬斩波和软斩波。在硬斩波技术中，相位晶体管由同一脉冲信号驱动：两个晶体管同时打开和关闭。这样，由于电力电子电路板只处理三个脉冲信号，它的设计更加简单，而且更加便宜。硬斩波操作的一个缺点是，相对于软斩波方法，它大大增加了电流纹波。软斩波方法不但实现了对电流和电流变化速率的控制，而且也大大减少了电流纹波。在这个软斩波模式中，低侧晶体管在相位电源期间保持打开，高侧晶体管按照脉冲信号切换。在这个情况下，电力电子电路板必须处理 6 个 PWM 信号。 • 滞后模式：在滞后类型电流稳压器中，功率晶体管根据电流与基准电流的关系（大于或小于）关闭和打开。误差被直接用来控制功率晶体管的状态。滞后控制器被用来将相位电流限制在预先设定的滞带内。由于电源电压是固定的，结果是开关频率随着电流误差的变化而变化。因此，电流斩波操作并不是一个固定斩波频率 PWM 技术。这个方法更加常见于电机速度和负载变化不大的驱动中，所以开关频率的变化很小。此外，硬斩波和软斩波系统配置都是可能的。由于耐受范围的宽度是一个设计参数，这个模式使得电流控制可以达到要求的精度，但是由于不断变化的开关频率，很难滤除可闻和电磁噪声。 4.2 电电流流感感测测 BLDC 控制的一个特点是电机内每次只有一个电流（两相位打开）。因此，无需将一个电流传感器放置在电机的每一个相位中；一个放置在线路反相器输入中的传感器使得每个相位的电流控制成为可能。而且，在接地线路上使用这个传感器，就不需要系统绝缘，并且可以使用一个低成本电阻器。它的值被设定，这样，它在达到电源电路板所允许的最大电流时激活集成过流保护。每个电流测量导致一个在 PWM 周期的开始载入的全新 PWM 占空比。请注意，关闭期间，不论反相器是在硬斩波中驱动还是在软斩波模式中驱动，分流电阻器不感测这个电流。图 6图示了软斩波模式中的分路电流，并且显示，在关闭操作中，逐渐减少的电流流经 M2 续流二极管以及保持关闭的 M4（所以关闭期间，在这个斩波模式下，在分路中没有可以观察到的电流 9）。这表示，有必要在 PWM 占空比的中间启动一个电流转换。 ZHCA559–July 2013 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 7 图图 6. 依依据据 PWM 占占空空比比的的分分流流电电阻阻器器压压降降（（软软斩斩波波）） SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated PWMSignalsM1M2M1M2M2M2Ishunt

系统拓扑 www.ti.com.cn 在硬斩波模式下，关闭期间，M1 或 M4 都不驱动电流，因此，逐渐减少的相位电流从接地经由 M2 和 M3 续流二极管流经分流电阻器，通过电容器返回接地。在这个斩波模式中，由于出现负分路电压压降，分路上的相位电流有可能成指数下降。假定电源电路板和控制电路板都不支持负电压，有必要在打开的中间感测此电流。实现 BLDC 速度控制需要执行三个控制层。最内层是获得转子位置以准确地换相定子磁通。一旦知道定子位置，必须生成和控制定子磁通的通量。假定定子磁通与流经定子线圈的电流成正比，定子磁通通量的控制与输入电流的控制等效。最外部的控制环路是速度调节环路。 4.3 反反电电动动势势过过零零点点计计算算电阻分压器电路被指定为这个电压感测电路的最大输出采用全部 ADC 转换范围。滤波电容器应该滤除斩波频率，所以只需要很小的值（在 nF 或甚至更小的范围内）。无传感器算法只基于三个电机端子电压测量值，并且只需要四个 ADC 输入线路。在传感控制结构中，相位在转子的每次 60º 机械旋转时换相一次。这表示驱动一个 BLDC 电机只需六个换相信号。此外，一个有效控制意味着相位反电动势与相位电源间的同步，这样，反电动势在非导通 60º 磁区期间过零一次。下一段显示如何获得三个反电动势和它们的过零。图 8图示了电机端子模型，在这里，L 是相位电感，R 是相位电阻，E 是反电动势，Vn 是相对于接地的星形连接电压，而 Vx 是相对于接地的相位电压。使用 ADC 部件并通过图 8中图示的电阻电桥来测量 Vx 电压。图图 7. HDMC 套套件件上上的的反反电电动动势势感感测测 8 无刷直流 (BLDC) 电机的无传感器梯形控制 ZHCA559–July 2013 SPRABQ7 — http://www-s.ti.com/sc/techlit/SPRABQ7 版权 © 2013, Texas Instruments Incorporated ADCInxStator PhaseCable

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