使用霍尔效应传感器的无刷直流 (BLDC) 电机梯形控制
Bilal Akin and Manish Bhardwaj
摘要
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。TMS320F2803X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：
1.磁场定向电机控制原理的理论背景
2.基于模块化软件块的递增构建级
3.试验结果
目录
1.简介 1
2.BLDC电机 1
3.BLDC电机控制 3
4.系统拓扑 4
5.32位C2000控制器针对数字电机控制(DMC)的优势 7
6.TI 文献和数字电机控制(DMC)库 8
1 简介
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，诸如更高的效率和减少电磁干扰。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），但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。
这份应用报告涵盖了280X控制器和从BLDC电机驱动中获得高性能的某些系统注意事项和方法.
2 BLDC电机
BLDC电机是一个在转子上具有永磁体，而在定子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。
图1：具有一个永磁对极转子的三相同步电机
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。
表1：BLDC和PMSM电机间的比较
1．两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。反电势在BLDC电机中是梯形的，而在PMSM电机情况下为正弦曲线。
2． 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励，BLDC机器应该由直流激励。
3．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圆柱形结构（硬件和软件）。因此，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。
4．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电机控制
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势等式，这与直流电机的那些等式相类似。反电势和转矩可表示为：
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，theta;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。
a：速度-电流环控制
b：速度环控制
c：电流环控制
图2：针对一个BLDC电机的速度和电流控制环路配置
BLDC电机的特点是两相位打开运行以控制逆变器。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：
1．一次只需要控制一个电流
2．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）
3．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，反电势形状为梯形。理论上，直流与梯形反电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。
图3；两相打开运行和转矩纹波内的电气波形
如果使用的电机具有一个正弦反电势形状，可采用这个控制，但是产生的转矩为：
1.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）控制的正弦波反电势波形电机产生恒定转矩。
2.产生的转矩值变弱。
图4.BLDC内的转矩纹波
4 系统拓扑
4.1 三相反相器
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5：三相反相器
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到固定60°基准。
1.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。
2.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 电机轴位置传感器
此位置信息被用来为功率转换器生成精确的激发指令，从而确保了驱动稳定性和快速的动态响应。在伺服器应用中，位置反馈也被用于位置反馈环路中。速率反馈可得自位置数据，从而使得速度控制环路无需单独的速率传感器。
使用的三个常见位置传感器类型为：递增传感器、三个霍尔效应传感器和旋转变压器。
1.递增传感器使用光学编码盘，此编码盘具有单圈或正交分辨率，以产生一系列的转矩波脉冲。通过计算从已知基准位置的脉冲数量来确定位置。正交编码器对方向敏感，并且在电机轴开始旋转时，不会因为任何抖动而产生错误数据。F280x 的正交编码器脉冲部件初拉力编码器的输出线路并且提供1倍，2倍或4倍的编码器分辨率。可以通过计算一个固定时间周期内的脉冲数量来获得速度信息。
2.三个霍尔效应传感器提供三个重叠的信号，给出了60°宽的位置范围。这三个信号可被接线至F280x输入捕捉/通用输入输出(GPIO)引脚，因此，可通过测量两个输入捕捉间的时间间隔来获得速度信息。在每次输入捕捉时，时间间隔被 280x自动存储在一个特定的寄存器内。根据速度信息，可获得明显激发指令所需的精准数字位置信息。
3.此旋转变压器由三个绕组组成（与电机的绕组不同）：一个绕组被接至转子并由正弦电源供电，另外两个正交线圈被连接至定子。反电势由两个定子旋转变压器绕组的每一个绕组内的旋转线圈感应产生。通过将这两个信号解码，有可能得到cos(q)和sin(q)，在这里，q是转子位置。旋转变压器分辨率只取决于模数转换。
4.3电流感测
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）。这表示，有必要在PWM占空比的中间启动一个电流转换。
图6:依据PWM占空比的分流电阻器压降（软斩波）
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。
4.4位置和速度感测
这个应用中的电机装备有三个霍尔效应传感器。这些传感器由电力电子电路板供电
资料编号：[4548]
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