基于SVPWM的三相无刷直流电机控制策略王淑红（1969）女，甘肃靖远人，毕业于西安电子科技大学电子信息工程专业，副教授，硕士，从事电气自动化和测控技术的教学和科研工作。 摘要：介绍了以TMS320F2812为核心的永磁无刷直流电机控制策略。对于反电动势波形接近正弦的永磁无刷直流电动机，介绍了一种利用基于六个离散位置信号的自同步SVPWM控制方法,用于抑制电磁转矩脉动。文章对其硬件电路和软件设计进行了介绍。由于其结构简单，低成本，高可靠性，可望在电机驱动和工业控制领域获得广泛的应用。关键词：永磁无刷直流电动机；控制器；TMS320F2812；SVPWMAbstract: The design of the PMDC brushless motor control strategy based on TMS320LF2812 is introduced in this paper. The BLDCM with sinusoidal back EMF and a self-synchronous SVPWM control method based on six discrete position signals for minimizing torque ripple is also introduced here. The hardware circuit and software design is presented. Because of its simple construction, low cost, and high reliability, this system can be widely applied in the field of motor drive and control.Key words: PMDC brushless motor；Controller；TMS320F2812；SVPWM1引言 无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此它不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及。现已广泛应用于伺服控制、医疗机械、仪器仪表、机器人、家用电器等领域。其相应的控制系统一直采用复杂的电子线路或51系列单片机,因此或多或少存在可靠性差、成本高、抗干扰能力差等缺点。随着电力电子技术的不断发展,单片机的性能得以不断提高,基于TMS320F2812 DSP的控制系统,可实现三相绕组直流无刷电动机控制的智能化,并具有成本低、工作可靠、抗干扰能力强、通用性强等特点。2直流无刷电动机的控制方案2.1控制系统的硬件构成 系统的原理框图如图1 所示。它主要由三相绕组直流无刷电动机主电路、TMS320F2812控制系统、驱动电路及检测保护电路等部分组成。 图1 控制系统硬件框图2.2直流无刷电动机简介 三相绕组直流无刷电动机主要由电动机、位置传感器和电子开关线路三部分组成。它有3 个互为120(机械角) 的定子绕组,经由6 只MOSFET 管组成的三相全控电路供电,永久磁铁按一定的极对数(2 p = 2 ,4 , ) 安装在转轴上,其位置传感器主要起着测定转子磁极位置的作用,为电子开关控制电路提供正确的换相信息。电子开关线路用来控制电动机定子上各相绕组通电的时刻、顺序和时间。当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用而产生转距,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置转换为电信号,去控制电子开关线路,电子开关管MOSFET就以两两通电方式要求的次序进行换相,从而使三相定子绕组按一定次序导通。当改变MOSFET 的导通顺序时,就改变了电机的转向2。3SVPWM控制方法 无刷直流电动机的反电动势波形一般为梯形波。在实际应用中，为了消除齿槽转矩，常采用斜槽、分数槽、合理设计磁极形状和充磁方向等措施，这些措施往往使得电机的反电动势波形更接近正弦。这种情况在中小功率无刷直流电机中更为常见。对于这类电机，采用正弦波电流驱动比采用120导通型三相六拍方波驱动，更有利于减小电磁转矩脉动。因此寻求利用方波型无刷直流电机三个霍尔元件产生的六个离散位置信号，来实现正弦波电流驱动，具有重要的现实意义。图2 无刷直流电动机逆变器示意图 三相电压型逆变桥的上桥臂和下桥臂开关状态互补，故可以用三个上桥臂的功率器件的开关状态来描述逆变器的工作状态，记功率器件上桥臂开通状态表示为“1”，下桥臂开通状态表示为“0”，则上桥臂的开关状态有八种组合，用 a，b，c表示桥臂的状态。对应于不同组态时输出给电机的相、线电压对应值(相对应于三相全波整流后的直流电压Ud)如表1所示。 表1 三相逆变器的导通组态 得到相电压的8种组态后，再通过abc-坐标转换投影到-坐标系下，由此可以得到6个非零向量和2个零向量，分别记为0 (000)-7(lll)，称为基本电压空间矢量，其中1 (001)-6 (l10)为有效矢量，幅值大小为Ud ，0 (000)、7(lll)为零矢量，幅值为零。如图3所示。 图3 基本空间电压矢量图 如果希望获得多边形或者逼近圆形的旋转磁场，就必然要利用8个空间电压矢量的线性组合，以获得更多的与 0(000)-7(lll)不同的新的电压空间矢量，形成一组等幅但不同相位的电压空间矢量。因此电压矢量SVPWM以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通，从而达到较高的控制性能，这就是空间矢量SVPWM的基本原理。 要使输出相电压更接近正弦波，可以按照SVPWM的控制方法，把每个60区间进行N等分，每个小区间通过相邻两基本矢量和零矢量的组合来合成该区间的电压空间矢量，这样一个周期将有6N个电压空间矢量，每隔60/N电角度切换一次。为了实现无刷直流电机的自控式运行，切换时刻仍必须由转子位置信号决定，即转子转过60/N电角，电压空间矢量切换一次。问题是总共只有6个确定的离散位置信号，如何确定两个位置信号之间转子的实际位置，是保证无刷直流电机自同步运行的关键。 按照电机学理论，无刷直流电动机的电磁转矩可表示为 (1) 式中，Fs为定子励磁磁动式；Fr为转子励磁磁动式；为Fs和Fr之间的夹角；k为比例系数。 从上式可见，有两个因素可引起电磁转矩脉动，一是定子励磁磁动势Fs，幅值的变化，二是定子磁动势与转子磁动势夹角的变化。而上面所提的SVPWM控制方法能够保证电压空间矢量和转子以恒定的夹角同步旋转，由于定子电流空间矢量以恒定的夹角与电压空间矢量同步旋转，而定子磁动势又由定子电流产生，最终使定子磁动势与转子以恒定的夹角同步旋转。这种控制方法能够消除因定、转子夹角变化而引起的电磁转矩脉动，其最大的优点是硬件结构，软件算法都比较简单。4三相无刷直流电动机的DSP控制策略 利用TMS320F2812 DSP实现三相无刷直流电动机调速的控制和驱动电路。三个位置间隔120分布的霍尔传感器H1、H2、H3经整形隔离电路后分别与TMS320F2812的三个捕捉引脚CAP1、CAP2、CAP3相连，通过产生捕捉中断来给出换相时刻，同时给出位置信息。电流反馈输出经滤波放大电路连接到TMS320F2812的ADC输入端ADCIN00,在每一个PWM周期都对电流进行一次采样，对速度进行控制。TMS320F2812 DSP通过PWM1PWM6引脚经一个反相驱动电路连接到六个开关管,实现定频PWM和换向控制3。 图4 三相无刷直流电动机调整速控制框图 图4是对三相无刷直流电动机实现双闭环控制的框图。给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度控制。速度反馈通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的。位置传感器输出的位置量还用于控制换相。 在调速控制中采用数字PID算法，对转速反馈实行PI控制，对电流反馈采用PID控制。本系统中，PID采用积分分离PID算法，其特点是根据实际情况设定一个误差阀值，当跟踪误差大于阀值时，采用PD控制，可避免过大的超调，使系统有较快的动态响应，当跟踪误差小于阀值时，采用PID控制，保证系统的控制精度。以上算法在DSP中通过软件编程实现。 图5 霍尔传感器的三相位置信号 在转矩控制上采用空间矢量法(SVPWM)进行控制，使供电电压波形接近正弦波形。这种方法可以在不损失转矩电流比的基础上，有效的抑制电磁转矩脉动。这种控制方法采用开关型霍尔元件进行转子位置估计，不需要电流传感器，控制器成本较低，具有较大的实用价值。其算法也通过软件编程完成。4.1电压空间矢量初始定位 根据式（1），为了使产生的电磁转矩最大，必须保持定、转子磁动式之间的夹角为90电角度，设定子电压空间矢量超前定子电流空间矢量Z电角度，而定子电流空间矢量与定子磁动式同相位，因此必须是定子电压空间矢量超前转子磁动式90+Z电角度。安装三相位置传感器，使得转子磁极轴线位于A相反电动势的过零点处，A相位置传感器输出信号发生跳变，触发A相绕组导通，则可以确定转子位于某个60区间时，电压空间矢量的初始相位角r，此处r代表-坐标系下，电压空间矢量与轴(即A相轴)之间的夹角，如图3所示。当霍尔元件传感器输出如图5所示的三相位置信号时，根据以上原则确定的三相位置信号与电压空间矢量的初始相位角。4.2转子位置的估计 在电压空间矢量法中，电压空间矢量的旋转频率受位置信号传感器的控制，定子旋转磁场的转速和转子的转速始终相等。三相霍尔元件输出的位置信号如图5所示，每个周期内位置信号有6次跳变，这样一个周期内有6个转子位置可以被确定。当逆变器采用六拍运行方式时，以三相位置信号的跳变时刻作为电压空间矢量的切换时刻，就可以实现无刷直流电动机的自同步运行。为使输出相电压更接近正弦波，根据SVPWM的控制方法，每个60区间进行N等分，每个小区间通过相邻两基本矢量和零矢量的组合来合成该区间的电压空间矢量，这样每个周期有6N个电压空间矢量，每隔60/N电角度切换一次。为知道这60/N所持续时间，假设60区间内转子转速不发生变化，这样就可以利用上一个60区间所持续时间来近似代替当前区间的持续时间。电机实际运行时，这两个区间的时间不一定相同，这种近似必然会产生误差，随着误差的积累超过一定角度时，电压空间矢量与转子d轴之间的实际相位将发生错位，造成电机的失步振荡直至停转。所以笔者用位置传感器的跳变信号，每60进行一次位置校正。经过校正，可以使电压空间矢量与转子位置同步旋转，保证无刷直流电动机保持自同步运行1。5结束语 永磁无刷直流电机既有交流电机的结构又有直流电机的特性，是一种很有应用前景的机种。实验表明：该机种具有良好的运行特性和调速性能，具有高效节能的特性，完全可以取代直流电机进入调速领域和伺服领域，是一种集电子、电机和计算机为一体的机电一体化系统。利用TMS320F2812