基于MotorolaDSP5680x系列的无传感器开关磁阻电机控制

1基于MotorolaDSP5680x系列的无传感器开关磁阻电机控制RadimVisinka引言开关磁阻（SR）电机正以其可变速驱动而越来越受欢迎，它具有结构简单、成本低、无磁体和转子线圈的特点，在较大的速度范围内都具有很高的性能，并且它的功率放大器具有容错功能。SR驱动的缺点是需要知道转子位置信息，以便给出每相适合的开关控制状态。用无传感器控制技术可以避免使用位置传感器。这些技术通过测算电机电压和电流来确定转子在电机运行时的位置。现在已经发展了多种无传感器算法，本文介绍了带有电机控制专用外设的高性能控制器，读者可以利用它们为工业、仪器和自动化应用设计可靠的无传感器SR驱动。MotorolaDSP中的电机控制系列MotorolaDSP56F80x系列是适用于数字电机控制的控制器，它们把DSP的运算功能和MCU的控制特点集中到一块芯片上。这些DSP提供了一些专门的外设，如电机控制脉宽调制单元、12位的A/D转换器、积分定时器、积分解码器、通讯外设（SCI、SPI、CAN）、通用I/O引脚、低电压禁止模块、COP看门狗定时器、JATG/OnCE片上仿真器和FLASH、RAM存储器。这一系列的几个型号，如DSP56F801、DSP56F803、DSP56F805和DSP56F807，分别具有不同的外设和片上存储器配置（FLASH和RAM）。最让人感兴趣的外设除了快速的双路12位A/D转换器外，还有脉宽调制模块。脉宽调制模块可为一个三相反相器产生6个PWM信号。该模块可以由用户进行灵活配置，从而选择一种最高效的电机控制方法。PWM的主要特点包括：中心或边沿对齐的PWM模式；一种模式将六个输出信号配置为互补的三对，其中每对具有一致的变化，另外一种模式把它们作为独立的六个通道；相关操作中的死时间产生和失真纠正；对每个PWM通道的软件控制；具有20mA电流吸收能力的PWM引脚可以进行输出极性控制；故障检测输入可以在检测到系统故障时，快速关断PWM的输出。SR电机控制利用了中心对齐的独立工作模式，这使它可以完全独立地产生功放的开关信号。PWM输出可由PWM发生器控制，也可直接被输出软件控制，控制信号可以被置1或清0。在不改变PWM脉宽寄存器的内容的前提下，可以根据电机位置的需要，利用软件控制来改变输出信号的状态。无传感器开关磁阻驱动的系统概念本文所介绍的系统是为三相无传感器SR电机驱动而设计的，图1是驱动系统的结构框图。系统包含以下部分：-DSP控制器-三相SR高压功率放大器-反馈传感器，包括线路直流电压、每相电流、温度等2-三相SR电机-DSP运行应用中的控制算法，控制算法包括：-用磁力线环路测算方法进行无传感器位置探测-速度控制环路-内部电流控制环路-翻转角度计算-启动时的相位阻抗测量-低速时的在线相位阻抗测算（已申报美国专利）-故障保护图1.系统结构框图本系统用于驱动一个三相电机。每相的导通角被设为交流电周期的1/3，所以每一相的导通角不会发生重叠。在切换时，当前相位被关闭，同时，沿转子转动方向的下一相位被打开。切换角度的计算是通过目标转速、目标电流和实际的线路直流电压得到的。当达到切换位置时，产生新的PWM控制模式，同时相位发生翻转。由于磁通量测算的精度很大程度上依赖于实际的相位磁阻，所以采用运行中的相位磁阻测算方法。实际的电机转速是由切换情况决定的，通过目标转速和实测转速的比较得到速度偏离，基于这个速度偏离，速度控制器产生目标相电流。当某相发生翻转时，PWM输出一个宽脉冲电压，直到电流达到一个定值时才关断。然后便一直控制3输出电压，直到下一个切换的产生。电机的每个切换周期都重复这个过程。最后，根据切换情况和理想的PWM工作周期，来产生PWM控制信号。系统保护是应用中的重要部分，在控制过程中，要测量线路的直流电压、直流电流和功率放大器的温度等，它们用于驱动过程中的过电压、低电压、过电流和高温保护，低电压和高温的保护通过软件来实现，而过电压和过电流故障信号通过DSP的故障输入来处理。如果产生上述任意一种故障，电机控制的PWM输出信号将被关闭，以保护驱动系统。利用磁力线环路测算进行无传感器位置测算磁力线环路测算方法是最常用的无传感器SR位置测算技术。本应用中所使用的就是这种方法，它基于对测算磁力线环路和由切换位置定义的参考磁力线环路的比较。对每相的磁力线环路的测算是通过对相电流和相电压的测量来完成的。只有当所给相处于开启状态时，磁力线环路测算才能开始。以采样频率对的同时采样相电流和相电压进行周期性地测量。打开相的磁力线环路用以下公式进行计算：其中：-第N次采样的磁力线环路[Wb]-前一次，即第(N-1)次采样的磁力线环路[Wb]-相电流的采样值[A]-相电压的采样值[V]R-相阻[]T-采样周期[sec]参考磁力线环路是根据SR电机的磁化特性确定的，它是相电流的函数，用来求理想切换位置。参考磁化曲线存放在DSP的存储器中。每次计算磁力线环路时，都把它与参考磁力线环路进行比较，以得到实际的相电流。当测算磁力线环路值达到了参考磁力线环路时，说明已经到达了切换位置。切换就可以开始了――当前相关闭，在旋转方向的下一相被开启。图2是对该方法的描述。4图2.用磁力线环路测算进行位置测算磁力线环路测算方法的优点是：它在从电机启动到高速运行的整个速度范围内都是可用的。如果能得到正确的相位阻抗，位置可以精确地测算出来。这一方法的主要缺点是决定磁力线环路测算的相位阻抗随温度变化显著，这会产生一个累计误差，这种情况在低速时尤其严重。在电机运行过程中，这个问题可以用相阻测算的方法解决。硬件设计本文中的无传感器SR应用是在Motorola的电机控制开发平台上实现的，这个平台设计来进行电机控制应用的开发。像交流感应电机、永磁体同步电机、直流无刷电机和开关磁阻电机都可以用该平台的开发板进行控制。图3是该应用的硬件配置框图。它包括DSP56F805EVM板,3相SR功放和SR电机。两个板子通过UNI3接口连在一起，所有的控制信号（PWM，制动）和反馈模拟信号（电压、电流、温度）都是通过这个接口传递的。如果需要，可以在控制板和电源板之间插入一个分离板，它可以可视化地把所有控制信号和反馈信号按输入和输出1：1的比例分离开。由于安全因素，在开发中使用隔离板是特别重要的。这种配置使得该平台特别适合开发几乎任意类型的电机控制应用。5图3.系统硬件配置图中的三相SR功率放大器是用来驱动功率高达550W的SR电机的，它包括一个110-230V的输入整流桥、由电容元件组成的直流电路和带有放电电阻的直流断路器、用于带有IGBT驱动的SR电机的IGBT桥等。SR功率放大器包括两个电源开关，并且每一相带有一个快恢复二极管。这种配置使得对每一相的控制变得完全独立。对应的模拟电路利用一个分流电阻来测量相电流和直流电流，利用一个分压电阻来测量直流电压。这种开关电源（SMPS）为功率放大器和控制板都提供了所有必须的电压。相电流探测精确的相电流和直流线路电压测量是执行磁通量测算算法的重要考虑因素。任何测量上的误差都会导致磁力线环路测算错误，进而导致位置测算的错误和相阻测算的错误。相电流测量的质量很大程度上依赖于所用的电流传感器，其中最有用的是霍尔效应传感器――如Lenze公司的部分产品。但是，这些传感器价格昂贵，不适合用在大多数低成本的应用中。于是，可以在相电流电路中插入一个分流电阻（见图4），通过测量其上的压降得到相电流。当软件电源开关使用时（低位开关在整个变换周期中都开启，高位开关被PWM信号调制），相电流并不是一直都可以从感应电阻上测得的。只在两个开关都开启（相电流流过开关和感应电阻）或是都关闭（相电流流过二极管和感应电阻）时，相电流才可在分流电阻上测量。对于一个可靠的电流整形器来说，电流感应必须与PWM频率同步。电流的零点可以设置在ADC转换范围的一半处，这样，相电流分流电阻上的正负压降都能测量。并且，压降通过ADC的转换范围被放大。经过上述处理后，电流可以被精确地重整（见图5）。6图4.利用分流电阻检测电流(仅显示一相)图5.A/D转换器上的相电流检测软件设计7软件结构包括初始化子程序，后台处理程序和中断服务子程序（ISR）。初始化子程序提供了对DSP的全面初始化。PWM初始化产生SR功放所需要的控制脉冲，A/D转换器要与PWM脉冲同步，这样测量刚好在PWM脉冲的中心进行。当初始化完成后，程序进入后台处理。这部分程序是一个无限循环，它在运行前期就进入和执行一些非实时性的后台任务，这些任务包括用户接口、电机启动时序、速度斜线上升和速度控制程序，以及实际速度的计算等等。所有的实时子程序在ISR中执行。A/D转换完成中断是在处理器工作期间实时性最强和最耗资源的子程序，大部分的SR电机控制处理都是在这个中断服务子程序中完成的。A/D转换器的初始化要与PWM重载脉冲同步，它一次扫描所有三个相电流、相电压和温度，当转换完成，就调用ADC转换完成中断服务子程序。在ADC转换完成中断服务子程序中，电流多路复用器选择当前相位的电流，实际的磁力线环路在每个中断子程序中进行计算，并与所给相电流的参考磁力线回路比较。如果实际磁力线回路超过了参考数值，就产生新的切换，并且，电流控制器会计算理想的PWM工作周期。PWM故障中断服务子程序是软件执行过程中优先级最高的中断。当检测到过流或过压故障时，外部硬件电路会产生一个故障信号，这个信号被DSP的故障输入引脚探测到。这个信号首先关闭电机控制的PWM输出，以保护功率放大器，另外还会产生一个PWM故障中断，对故障状态进行处理。结论本文提供了一种利用Motorola电机控制DSP来驱动无传感器SR电机的可行性应用。它利用了磁力线回路位置测算算法，这个无传感器算法在从启动到高速运行的速度范围内都能得到理想的结果，另外，DSP的强大功能使得它可以执行一些其他应用功能的控制算法。参考资料-AN1932,3-PhaseSRSensorlessMotorControlUsingDSP56F80x,Motorola,2001-Chalupa,L.,Visinka,R.,On-FlyPhaseResistanceEstimationofSwitchedReluctanceMotorforSensorlessbasedControlTechniques,ConferencePowerConversionandIntelligentMotion,Nurnberg,2000-DSP56F80x16-bitDigitalSignalProcessor,User’sManual,DSP56F801-7UM/D,Motorola-