0 引言［1］
傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱為直流無刷電機。直流無刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來實現有效的定子電流控制。而且，對于轉速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無刷電機矢量控制的基礎，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機的應用帶來很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會增加電機的體積和成本；其次，
連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，即便是現在應用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區；再次，在某些惡劣的工作環境、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性 ，常規的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能，增加了生產的工藝難度。
為了降低硬件的成本和復雜性、增加機械魯棒性和驅動系統的可靠性和減少維護的需要，又不增加系統慣量并能減小噪音的要求，最理想的就是取消矢量控制系統中的位置傳感器。
所謂無位置傳感器的直流無刷電機控制技術 ，正確的理解應該是無機械的位置傳感器控制技術。在電機運轉的過程中，作為控制逆變器換相導通時序的轉子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由機械式的位置傳感器來提供，而由新的位置檢測信號電路來代替、即以提高電路和控制的復雜性來降低電機的復雜性。所以，直流無刷電機無位置傳感器控制技術的核心和關鍵就是構建一個轉子位置信號檢測電路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得正觸發相應的逆變器，從而驅動電 確的轉子位置信號，機運轉。要做到精確控制需要相當復雜且快速的運算，一般的微處理是器難以實現的，但是，數字信號處理器以其強大的運算功能使這種控制方式成為現實。
1 基于反電勢的轉子位置檢測方案［2］
直流無刷電機的反電勢幅值是與位置相關的。這樣，如果它可以精確地檢測到，就可以得到實時的精確轉子位置，從而用來控制逆變器的開關方式。這種方法的缺點是：電機靜止或低速時的反電勢信號為零或很小，難以得到有效的換向信號，因此系統的低速性能差，電機啟動需要特別的硬件電路或專門的軟件啟動方法。
當電機速度大于零時，每個電周期內某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1 所示通過過零點時反電勢的斜率來區分這些位置，每一段對應電周期內的60°區間。換向發生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進行補償。
圖1反電勢過零點
在任一時刻只有兩相通電，且流經這兩相的電流相反，圖2 所示為W 相用于反電勢檢測時的情況。當U 相內流經正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V 相內流經負相電流時，對應圖1 中區間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC 電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關。但是，只有在每相的R、L 和反電勢
都相同，且每相的開關管壓降都相等的情況下，星型連接中心點的電壓值才為1/2V DCC。假設現在的情況就是這樣，反電勢過零點將被偏置1/2V DC。
上述方法很容易通過硬件實現，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC 分別進行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC 的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。將這個值除以2，然后加載到另一個定時器中，這樣就可以補償正確換向所需的30°偏移量。
2 DSP 控制方案的系統實現［3］ ［4］
2.1 TMS320LF240x 芯片簡介
TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數字電動機控制（DMC）應用而設計的。該芯片具有高性能的16 位定點DSP 內核，采用改進的哈佛總線結構，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS 的處理能力，大多數指令在單周期內即可執行完成。同時，該芯片集成了豐富的片內外設，包括事件管理器、模數轉換器（ADC ）、串行通信接口（SCI）和串行外部設備接口（SPI）、系統保護（如低電壓檢測和看門狗定時器）等。TMS320LF240x 可以實現用軟件取代模擬器件，完成復雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數，能滿足無傳感器直流無刷電機控制系統對實時控制的要求。
2.2 DSP 控制系統的硬件實現
圖3 是根據前述控制原理設計的基于DSP 的直流無刷電機控制系統。該系統主要由直流無刷電機、功率變換器電路、電機轉子位置檢測電路、各種保護電路以及以TMS320LF240x 為核心的數字控制器等構成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM 功率模塊）和相應的保護電路組成。
圖3 DSP 控制系統
逆變器電路中的IPM 模塊集成了多種保護功能，如過電壓保護、欠電壓保護以及過流保護等，當達到保護閾值時，IPM 模塊通過FO 引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發功率驅動保護中斷，將所有PWM 輸出引腳設置為高阻態，以此來關斷驅動信號，起到保護電路的作用。
轉子位置檢測電路采用1/2 電壓采樣法來實現，對電機的三相端電壓及直流母線電壓分別進行采樣，并將采樣結果送入比較器進行比較，從而得到過零點的時刻，其結果送入DSP 的捕捉端口中。
0 引言［1］
傳統上把具有梯形波反電勢的永磁同步電機稱為直流無刷電機。直流無刷電機的轉矩控制需要轉子位置信息來實現有效的定子電流控制。而且，對于轉速控制，也需要速度信號，使用位置傳感器是直流無刷電機矢量控制的基礎，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機的應用帶來很多的缺陷與不便 ：首先，位置傳感器會增加電機的體積和成本；其次，
連線眾多的位置傳感器會降低電機運行的可靠性，即便是現在應用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區；再次，在某些惡劣的工作環境、例如在密封的空調壓縮機中，由于制冷劑的強腐蝕性 ，常規的位置傳感器根本無法使用；最后，傳感器的安裝精度還會影響電機的運行性能，增加了生產的工藝難度。
為了降低硬件的成本和復雜性、增加機械魯棒性和驅動系統的可靠性和減少維護的需要，又不增加系統慣量并能減小噪音的要求，最理想的就是取消矢量控制系統中的位置傳感器。
所謂無位置傳感器的直流無刷電機控制技術 ，正確的理解應該是無機械的位置傳感器控制技術。在電機運轉的過程中，作為控制逆變器換相導通時序的轉子位置信號仍然是需要的，只不過這種信號不再由機械式的位置傳感器來提供，而由新的位置檢測信號電路來代替、即以提高電路和控制的復雜性來降低電機的復雜性。所以，直流無刷電機無位置傳感器控制技術的核心和關鍵就是構建一個轉子位置信號檢測電路，從軟、硬件兩個方面來間接獲得正觸發相應的逆變器，從而驅動電 確的轉子位置信號，機運轉。要做到精確控制需要相當復雜且快速的運算，一般的微處理是器難以實現的，但是，數字信號處理器以其強大的運算功能使這種控制方式成為現實。
1 基于反電勢的轉子位置檢測方案［2］
直流無刷電機的反電勢幅值是與位置相關的。這樣，如果它可以精確地檢測到，就可以得到實時的精確轉子位置，從而用來控制逆變器的開關方式。這種方法的缺點是：電機靜止或低速時的反電勢信號為零或很小，難以得到有效的換向信號，因此系統的低速性能差，電機啟動需要特別的硬件電路或專門的軟件啟動方法。
當電機速度大于零時，每個電周期內某相反電勢為零的位置只有兩個，可以從圖1 所示通過過零點時反電勢的斜率來區分這些位置，每一段對應電周期內的60°區間。換向發生在每一段的邊界處，反電勢過零點和需要換向的位置之間有30°的偏移，需要對其進行補償。
圖1反電勢過零點
在任一時刻只有兩相通電，且流經這兩相的電流相反，圖2 所示為W 相用于反電勢檢測時的情況。當U 相內流經正向電流（定義為流向星型連接中心點的電流），V 相內流經負相電流時，對應圖1 中區間6Q和1Q時，此置位的1動作。假設通電相的兩端總是對稱地分別連接到DC 電源地兩個端點上，則星型連接中心點的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個通電相繞組上的電壓極性無關。但是，只有在每相的R、L 和反電勢
都相同，且每相的開關管壓降都相等的情況下，星型連接中心點的電壓值才為1/2V DCC。假設現在的情況就是這樣，反電勢過零點將被偏置1/2V DC。
上述方法很容易通過硬件實現，即通過分壓電路對三相的端電壓和VDC 分別進行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點時刻即為1/2VDC 的時刻。使用一個可用的定某相反電勢經過時器測量60°（即兩次反電勢過零點之間）的時間。將這個值除以2，然后加載到另一個定時器中，這樣就可以補償正確換向所需的30°偏移量。
2 DSP 控制方案的系統實現［3］ ［4］
2.1 TMS320LF240x 芯片簡介
TMS320LF240x 系列DSP 是TI 公司為滿足大范圍的數字電動機控制（DMC）應用而設計的。該芯片具有高性能的16 位定點DSP 內核，采用改進的哈佛總線結構，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS 的處理能力，大多數指令在單周期內即可執行完成。同時，該芯片集成了豐富的片內外設，包括事件管理器、模數轉換器（ADC ）、串行通信接口（SCI）和串行外部設備接口（SPI）、系統保護（如低電壓檢測和看門狗定時器）等。TMS320LF240x 可以實現用軟件取代模擬器件，完成復雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數，能滿足無傳感器直流無刷電機控制系統對實時控制的要求。
2.2 DSP 控制系統的硬件實現
圖3 是根據前述控制原理設計的基于DSP 的直流無刷電機控制系統。該系統主要由直流無刷電機、功率變換器電路、電機轉子位置檢測電路、各種保護電路以及以TMS320LF240x 為核心的數字控制器等構成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM 功率模塊）和相應的保護電路組成。
圖3 DSP 控制系統
逆變器電路中的IPM 模塊集成了多種保護功能，如過電壓保護、欠電壓保護以及過流保護等，當達到保護閾值時，IPM 模塊通過FO 引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP 的PDPINTx 引腳，觸發功率驅動保護中斷，將所有PWM 輸出引腳設置為高阻態，以此來關斷驅動信號，起到保護電路的作用。
轉子位置檢測電路采用1/2 電壓采樣法來實現，對電機的三相端電壓及直流母線電壓分別進行采樣，并將采樣結果送入比較器進行比較，從而得到過零點的時刻，其結果送入DSP 的捕捉端口中。
2.3 DSP 控制系統的軟件設計
本控制系統采用速度、電流雙閉環的控制結構。由于采用了面向電機控制的高速DSP，無論是速度環的設計，還是電流環的實現，以及各種反饋信號的處理和PWM 控制信號的產生，均采用了數字信號處理技術，用軟件實現硬件電路的功能，完成直流無刷電機的實時控制。
控制系統的軟件設計主要包括DSP 初始化程序和電機控制程序兩部分。DSP 初始化程序主要完成系統時鐘的設定，中斷向量的定義，I/O 端口的初始化，控制寄存器的設置以及各功能模塊的初始化等；電機控制程序主要負責電機的啟動控制、速度電流雙閉環控制、系統監控和故障處理等，因此電機控制程序包括啟動子程序、電流和位置檢測中斷服務子程序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM 調制子程序以及系統監控和故障處理子程序等。
進行各種反饋信號的檢測是構成雙閉環控制的前提。位置信號、電流信號的檢測分別由位置檢測中斷服務程序和電流檢測中斷服務程序來實現，轉速的檢測通過軟件計算間接獲得。為了提高系統的動態性能和穩態精度，本系統電流環采用PID 調節器， 速度環采用遇限削弱積分分離PI 控制算法。其控制環路簡圖如圖4 所示。
圖4 電流和速度控制環路
PWM 調制子程序根據檢測到的轉子位置信號和電流信號通過事件管理器（EV）產生PWM 調制信號。通過定時器控制寄存器TxCON 中的位模式將通用定時器的計數模式設置為連續增/ 減計數模式以產生對稱的PWM 波形。另外，TMS320LF240x 的事件管理器具有可編程的死區單元，通過死區定時器控制寄存器（DBTCONx ）設置死區時間，從而避免逆變器同一橋臂上的兩個功率器件發生直通故障。
2.4 電機的啟動方案
由于直流無刷電機在靜止及低速運行時難以正確檢測反電勢信號，因此必須解決電機在靜止狀態下啟動的問題。以往曾有多種啟動方法，但有的要增加復雜的啟動電路，有的則要與電機特性聯系密切， ，實現起來難度較大、且可靠性較低。
本系統采用三段式的方法單純利用軟件來實現電機啟動，將電機的啟動過程分為預定位、強制運行與同步切換三個階段。在電機靜止時，轉子的初始位置未知，需要給設定的兩相電樞繞組通以短暫的電流，使轉子磁極穩定在這兩相繞組合成磁場的軸線上，以此作為轉子磁極初始位置（即預定位）。然后按定、轉子磁極間正確的空間相位關系使相應的功率器件導通，并以固定的時間進行模式切換，在這段時間內反電勢幅值較小，不宜進行過零檢測。隨著電機轉速逐漸升高，反電勢也逐漸增大，當反電勢升高到一定程度時，通過端電壓檢測就可以正確檢測到轉子位置，此時開啟過零檢測模塊，當連續多次正確檢測到過零點之后，就可從開環強制運行階段切換到閉環同步運行階段，從而完成整個啟動過程。
3實驗結果
將前述控制方案應用在直流變頻空調壓縮機系統上進行實驗驗證，電機極對數為2，PWM 載波頻率設為5 kHz，最大輸出功率為2 kW，調速范圍為15～ ～110 Hz 。實驗證明，該系統啟動平穩，調速控制系統實時性好，具有良好的控制性能。圖5 是無刷直流電機三相電壓的波形，圖6 是無刷直流電機三相電流的波形，從波形圖中可以看出，輸出波形具有較高的質量，從而表明該系統采用的控制策略和算法的可行性和和實用性。
圖5 三相電壓波形
圖6 三相電流波形
4結語
直流無刷電機具有效率高、功率密度大、功率因數高、體積小、控制精度高等優點，其應用范圍非常廣泛。直流無刷電機的控制技術正在從傳統的有位置傳感器的閉環PID 控制過渡到無位置傳感器的智能控制，其調速范圍、轉矩脈動、系統魯棒性等性能都在不斷提高。
在充分利用了TMS320LF240x 的強大實時計算能力和片內豐富的集成器件的基礎上，設計了基于DSP 的無位置傳感器直流無刷電機的控制方案，并給出了控制系統的軟、硬件結構。該控制系統具有良好的控制性能和調速性能，可以獲得較好的動態特性和較高的穩態精度，運行效率高，抗干擾能力強，具有較高的實際應用價值。
作者簡介：
梁博（1978-）， 男，工程師，清華大學精密儀器系2000 屆畢業生，現工作于珠海格力電器研究院，主要研究方向為電力電子技術。
參考文獻：
［1］ 陳伯時，陳敏遜。 交流調速系統［M］。 北京：機械工業出版社，2000.
［2］ 張琛。 直流無刷電動機原理及應用［M］。 北京：機械工業出版社，1996.
［3］ TM S320LF240xA DSP Controllers Reference Guide System and Peripherals ［Z］。 Texas Instruments Inc Literature Number： SPRU357B， 2001。
［4］ Implementation of a Sensorless Speed Controlled Brushless DC DriveUsing TMS320LF240［Z］.TexasInstrumentsInc Literature Number： SPRA072， 1997.