寇治國(guó)

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018)

無(wú)刷電機(jī)反電勢(shì)IIR濾波及其DSP實(shí)現(xiàn)

寇治國(guó)

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018)

轉(zhuǎn)子位置信息的獲得是無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制的關(guān)鍵,傳統(tǒng)的反電勢(shì)檢測(cè)法在濾除高頻干擾時(shí)的相位延遲難于補(bǔ)償;通過(guò)在DSP上實(shí)現(xiàn)反電勢(shì)信號(hào)的IIR數(shù)字濾波,消除噪聲對(duì)反電勢(shì)信號(hào)的影響,獲得正確的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)。該方法在基于DSP的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明該方法可以有效濾除高頻干擾,準(zhǔn)確的獲得反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn),性能可靠,靈活性和實(shí)用性較高。

無(wú)刷直流電機(jī);反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè);數(shù)字濾波;相位延遲

0 引 言

無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用電子換相替代機(jī)械換相,使電機(jī)不但具有傳統(tǒng)的直流電機(jī)良好的調(diào)速性能,而且壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單,在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。采用無(wú)位置傳感器控制技術(shù)以后,克服了有位置傳感器的許多弊病,進(jìn)一步拓寬了無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。目前,無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)已成為無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向,無(wú)位置傳感器控制技術(shù)研究的核心和關(guān)鍵是設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法,可以從軟硬件兩個(gè)方面來(lái)間接獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多位置檢測(cè)估計(jì)方法,其中較為成熟的主要有：反電勢(shì)法、反電勢(shì)積分法、續(xù)流二極管法和狀態(tài)觀測(cè)器法[1]。其中,反電勢(shì)法算法簡(jiǎn)單、軟硬件比較容易實(shí)現(xiàn)、可靠性高和成本較低,是目前無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)中最常用的一種控制方法。但傳統(tǒng)的反電勢(shì)法無(wú)位置傳感器將端電壓作分壓模擬低通濾波處理后,由于濾波器的相位延遲導(dǎo)致獲得的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)比真正的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)延遲了一定的角度,而且該相位延遲角隨頻率的不同而不同。這就要求通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出不同運(yùn)行頻率下的換相延遲角,用于補(bǔ)償相位偏移,而且延遲角一旦大于30°,造成因?yàn)閾Q相不準(zhǔn)而導(dǎo)致電機(jī)失步。所以傳統(tǒng)反電勢(shì)法無(wú)位置傳感器存在換相角計(jì)算復(fù)雜,運(yùn)行頻率不高的缺點(diǎn)。本文提出了一種改進(jìn)后的無(wú)位置傳感器控制方法,介紹了該方法的基本原理和檢測(cè)電路,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了改進(jìn)后的無(wú)位置傳感器控制器的優(yōu)點(diǎn)。

1 反電勢(shì)法基本原理

反電動(dòng)勢(shì)是永磁式電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由定子繞組所產(chǎn)生的電壓,反電動(dòng)勢(shì)的幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。反電勢(shì)法確定換相時(shí)刻的基本原理是在忽略永磁無(wú)刷直電動(dòng)機(jī)電樞反應(yīng)影響的前提下,通過(guò)檢測(cè)“斷開(kāi)相的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)”,來(lái)依次得到轉(zhuǎn)子的6個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),并以此作為參考依據(jù),輪流觸發(fā)導(dǎo)通逆變器的功率管,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),所以反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)是反電勢(shì)檢測(cè)法的關(guān)鍵,但是端電壓信號(hào)中含有PWM斬波信號(hào)及換向時(shí)因電樞繞組電流引起的電抗電勢(shì)等干擾信號(hào),使端電壓波形發(fā)生畸變,反電勢(shì)波形中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)零點(diǎn)信號(hào),影響電機(jī)正常的轉(zhuǎn)換邏輯,使電機(jī)無(wú)法正常工作。要消除這些干擾信號(hào)對(duì)電機(jī)換向產(chǎn)生的影響,常采用的方法是將端電壓進(jìn)行低通濾波,濾除這些高頻干擾信號(hào),然后與參考電平比較,獲得繞組反電勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。

2 數(shù)字濾波

無(wú)刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)不是一個(gè)平滑的信號(hào),從其他相耦合的PWM噪聲使得不能準(zhǔn)確檢測(cè)到該信號(hào)的過(guò)零事件,因此必須對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波[2],但是,對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波存在一個(gè)固有的缺點(diǎn),無(wú)論信號(hào)濾波是以數(shù)字式完成還是在硬件電路中完成,濾波信號(hào)與實(shí)際信號(hào)相比總是存在一些相位延遲。但是,與硬件電路濾波相比,使用數(shù)字濾波器時(shí),給定濾波器的要求以及反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的頻率就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出相位延遲,然后將下次換相的刻減去計(jì)算出來(lái)的相位延遲,就可以準(zhǔn)確的進(jìn)行電機(jī)換相。本文使用了IIR濾波器,因?yàn)榕c具有類(lèi)似響應(yīng)特征的FIR濾波器相比,FIR濾波器需要更高階數(shù),所以IIR濾波器DSP運(yùn)算的時(shí)間相對(duì)較短,而且IIR濾波器與有類(lèi)似響應(yīng)的FIR濾波器相比,具有更短的相位延遲周期[3]。

圖1 濾波器特性

本文使用Matlab來(lái)設(shè)計(jì)IIR濾波器。在實(shí)時(shí)處理中,若濾波器階數(shù)過(guò)大,將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)學(xué)計(jì)算的處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng),難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性。因此,要求在滿(mǎn)足濾波要求的情況下,濾波器階數(shù)盡量小。在此系統(tǒng)中需要濾除的高頻干擾為頻率為20kHz的PWM斬波信號(hào),保留頻率較小的低頻反電勢(shì)信號(hào),并且在滿(mǎn)足條件下使濾波器的階數(shù)最低,通過(guò)權(quán)衡奈閨斯特定理以及DSP的AD轉(zhuǎn)換器的性能,選擇濾波器的采樣頻率50kHz,帶通頻率4kHz,帶阻頻率8kHz,濾波器階為5階。設(shè)計(jì)出的濾波器頻率響應(yīng)特性、群延遲特征如圖2所示,群延遲曲線(xiàn)顯示了濾波信號(hào)相對(duì)于給定電氣旋轉(zhuǎn)頻率的實(shí)際反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的延遲。假設(shè)一個(gè)4極對(duì)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,即每秒最大電氣旋轉(zhuǎn)為666.7轉(zhuǎn)。按照?qǐng)D1的群延遲曲線(xiàn),在666.7Hz處濾波信號(hào)將有約127μs的相位延遲。在0Hz時(shí),相位延遲約為125μs。兩個(gè)延遲時(shí)間的差異可忽略,因此在電機(jī)的整個(gè)速度范圍中可將相位延遲當(dāng)作一個(gè)常量。

3 DSP控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文的無(wú)刷電機(jī)控制體統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,處理器采用TI公司最新推出的C2000系列的TMS320F28035,該處理器與其它的DSP有了很大的改進(jìn)[4,5],它集成度高,除了內(nèi)部集成了RAM和FLASH/OTPROM,配備兩個(gè)工作頻率10MHz的片上振蕩器,采用單電源供電,只要3.3V就可以穩(wěn)定工作,所以本控制系統(tǒng)集成度高,性能強(qiáng)而成本低,反電勢(shì)的電壓由DSP內(nèi)部集成的ADC高速轉(zhuǎn)換,該ADC具有12位的分辨率,使用內(nèi)部參考源也可以達(dá)到10.9位的精度。本系統(tǒng)最為重要的是使用了F2803X系列DSP芯片中獨(dú)具的浮點(diǎn)控制律加速器(CLA)技術(shù)。CLA是一款32位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器,能獨(dú)立于C28x內(nèi)核進(jìn)行工作,CLA自帶中斷控制器,并可直接訪(fǎng)問(wèn)ADC與EPWM等外設(shè),從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)片上外設(shè)的直接存取以及算法的并行執(zhí)行,獨(dú)立執(zhí)行控制環(huán)路算法,并可與C28x并行工作。從而將該CPU解放出來(lái)用以處理I/O與反饋回路,可使通用閉環(huán)應(yīng)用性能提高5倍,信號(hào)流程為：先使用簡(jiǎn)單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采集電機(jī)的三相端電壓和電源電壓信號(hào),直接進(jìn)入DSP進(jìn)行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC),ADC的轉(zhuǎn)換頻率為50kHz,高于采樣信號(hào)中最高頻率為20kHz的PWM信號(hào)的2倍,滿(mǎn)足奈閨斯特取樣定理,當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完成后,AD模塊產(chǎn)生中斷觸發(fā)CLA處理器直接讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,及進(jìn)行IIR濾波的乘加等運(yùn)算;C28x主處理器負(fù)責(zé)定時(shí)比較CLA的濾波結(jié)果,當(dāng)產(chǎn)生反電勢(shì)過(guò)零信號(hào)后,控制PWM模塊進(jìn)行換相,驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文采用基于反電勢(shì)IIR濾波的DSP控制器來(lái)對(duì)無(wú)位置傳感器BLDC進(jìn)行控制。BLDC參數(shù)為：額定電壓24V,極對(duì)數(shù)4極,額定轉(zhuǎn)矩0.4N·m,額定轉(zhuǎn)速4 000 r/m in。圖3為實(shí)測(cè)的BLDCM反電勢(shì)在濾波前和濾波后的圖形。從圖3結(jié)果中可以看出,使用IIR濾波器可以可靠地濾除高頻干擾,由濾波后得到的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)以及相位補(bǔ)償值可以準(zhǔn)確的獲得換相信號(hào),具有較好的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)位置傳感器BLDC的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)進(jìn)行了研究,采用IIR濾波器濾除反電勢(shì)信號(hào)中存在的噪聲,濾除由噪聲干擾產(chǎn)生的虛假過(guò)零點(diǎn),獲得正確的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)信息,完成無(wú)位置傳感器BLDC的準(zhǔn)確換相。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,該方法可以有效濾除反電勢(shì)虛假過(guò)零點(diǎn),實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]曹少泳,程小華.無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法綜述[J].防爆電機(jī),2007,42(1)：35-39.

[2]彭國(guó)富,周洪,但偉.一種基于混合數(shù)字濾波器的過(guò)零檢測(cè)技術(shù)[J].微計(jì)算機(jī)信息(測(cè)控自動(dòng)化),2008,24(4)：274-276.

[3]OlliVainio,Seppo JOvaska.Noise Reduction in Zero Crossing Detection by Predictive DirtalFiltering[J].IEEETransactions on,1995,42(1)：58-62.

[4]Texax Instruments Company.TMS320F2803x(Piccolo?)MCUs datasheet[EB/OL].http：//focus.ti.com/docs,2009-10-25.

[5]Texax Instruments Company.TMS320x2803x Piccolo Control Law Accelerator(CLA)Reference Guide(Rev.A)[EB/OL].http：//focus.ti.com/docs,2009-10-25.

圖3 實(shí)測(cè)的反電勢(shì)濾波前后波形圖

The IIR Filter for Back-EMF of Brushless DC Motor and DSP Implement KOU Zhi-guo

(School of Electronics Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310018,China)

Brushless DCmotor controlkey is to obtain rotor position information,but traditional back-EMF detection is difficult to compensate the phase delay in thehigh-frequency interference filter.this paper describesa technicalof IIR digital filter for back-EMF signalusing DSP,which can eliminate thenoise effect through back-EMF signal and identify the zero-crosseventaccurately.Theexperimentalresultwell demonstrates thatthe adopted controlmethod can filter out interference of high frequency effectively,acquire the back-EMF zero-crossing accurately and provides desirable reliability,flexible and practicability.

brushless DCmotor;back-EMF zero-crossing detection;digital filter;phase delay

TM 383.6

A

1001-9146(2010)05-0049-04

2010-07-20

寇治國(guó)(1980-),男,遼寧朝陽(yáng)人,在讀研究生,新型電子器件研究與應(yīng)用.