摘要：设计了一款基于SPWM控制策略的无刷直流电机控制系统，给出了SPWM波生成的具体方法，利用具有霍尔位置传感器的无刷直流电机，通过实时采集三相霍尔信息，得到正弦调制波的幅值和频率，再通过软件算法生成六路SPWM信号驱动无刷直流电机；实验结果表明,此控制策略可以实现无刷直流电机正弦波驱动。
关键词：无刷直流电机；SPWM；霍尔位置传感器
Implementation of SPWM control strategy for brushless DC Motor
ZHANG Min DUAN Jiuyang
（Qingdao Technological University, Qingdao 266033）
Abstract：Designing a brushless DC motor control system based on SPWM control strategy, And giving the method of SPWM wave generation, using the brushless DC motor with hall position sensor, through real-time collection of three phase hall information, the amplitude and frequency of sine modulated waves are obtained, and the software algorithm is used to generate six SPWM signals to drive brushless DC motor; The experimental results show that this control strategy can realize the sine wave drive of brushless DC motor.
Key words：brushless DC motor； SPWM； Hall position sensor
1 引言
无刷直流电机根据驱动波形的不同分为方波驱动和正弦波驱动两种，其中方波驱动方式最为常用，因为此种方式对应的电路结构简单且成本低便于实现，这也是非常成熟的一种驱动方式；但是如果实际系统对噪声、转矩脉动[1-2]及平稳性参数提出一定要求时，方波驱动将很难满足要求，因为方波驱动会产生大量的谐波，增加电磁转矩脉动，致使电机不能稳定运行噪声也比较大，而正弦波驱动BLDCM时，可以满足此类要求较高的场合[3]。无刷直流电机的正弦波驱动又分为两种：空间矢量脉宽调制（SVPWM）和正弦脉宽调制（SPWM），其中空间矢量脉宽调制（SVPWM）[4]因控制算法较为复杂，没有得到较多的推广应用；相比之下，正弦脉宽调制（SPWM）技术，具有调速范围宽、功率因数高、电机运行平稳、能抑制谐波且控制算法易于实现的优点，得到了广泛的应用。
2 正弦波驱动无刷直流电机原理
2.1 正弦波驱动无刷直流电机原理框图
图1 正弦波驱动无刷直流电机原理
为实现无刷直流电机的正弦波驱动及调速，本课题选用SPWM（正弦脉宽调制）控制策略来完成，具体实现过程如图1所示。首先采用+5V电源给控制器供电，电机一旦启动，通过调节给定接口电路中电位器的位置设定期望转速值，同时霍尔位置传感器也会实时捕获电机转子的信息，捕获到的信息经过控制器输入捕获模块的处理，可以计算出电机的实际转速及确定转子的位置信息，计算出的实际转速与期望转速作差后再通过PI控制，得到的输出量就是正弦调制波的幅值；正弦调制波的频率可以通过霍尔位置传感器捕获信息的时间间隔获得，正弦调制波的相位可以通过控制器的相位超前模块计算得到，正弦调制波的三要素确定后就可以实现无刷直流电机的正弦波驱动[5-6]。
2.2 正弦波周期和幅值的确定
若要实现无刷直流电机的正弦波驱动，首先要确定正弦波的周期和幅值两个重要参数。由于，正弦调制波的周期和霍尔信号同周期，所以，可以通过捕获霍尔位置信号的上下跳变沿时刻进行数据处理得到，其中周期测量原理如图2所示
图2 SPWM周期测量原理图
由图2可得：
式中：T为正弦调制波的周期，t1为上一次捕获到的霍尔位置信息跳变时刻；t2为当前捕获到的霍尔位置信息跳变时刻。
正弦波的幅值是由PI控制的速度环决定的，当给定转速与实际测量转速之差大于零时，此时正弦波的幅值将被调大，SPWM占空比将增加，电机加速运行；当给定转速与实际测量转速之差小于零时，此时正弦波的幅值将被调小，SPWM占空比将减小，电机减速运行。
3 SPWM波的生成
3.1 SPWM波产生原理
实现SPWM的调制方法有专门硬件电路调制和软件编程调制，硬件电路调制需要利用专门的集成电路来完成，不仅增加了成本，系统的可靠性也比较差；而软件编程调制是利用核心控制器的实时计算来完成SPWM调制，此方法因低成本高效率而得到广泛的应用，但要进行实时计算所以对控制器的计算速度提出了较高的要求，而本文选用的高速的DSP（数字信号处理器）刚好能满足这一要求且性价比较高的器件。
SPWM软件调制法大致分为三类等面积法、自然采样法和规则采样法。这里采用其中的规则采样法，规则采样法：此方法是在自然采样法的基础上发展起来的，但其实现算法过程较为简单，且得到的SPWM波非常接近正弦波，克服了自然采样法计算复杂的缺点。规则采样法又分为对称规则采样法和不对称规则采样法，其中不对称规则采样法得到的SPWM波更逼近正弦波，因此本控制系统选用不对称规则采样法完成SPWM算法的调制，其具体的原理图如图3所示，首先正弦调制波与三角载波相互作用进行采样时，产生许多不同的相交点，相交点相连接形成一定的阶梯波，这些阶梯波在与三角载波产生不同交点，交点对应的时刻就是确定功率管的导通时刻。如果在一个载波周期采样两次，即在三角载波顶点时刻和底点时刻分别进行采样，这样由三角载波与阶梯波交点所确定的脉冲宽度变得较为密集且不对称，因此称这种方法为不对称规则采样。此方法得到的SPWM调制波波形很逼近正弦波，计算不繁琐且可以实时控制，所以在实际应用中大多采用此方法[7-8]。
图3 SPWM不对称规则采样法
图3中，Tc为三角波周期，Ts为采样信号周期等于载波周期的一半，t1和t2指两个不同的采样时刻，ton1 、ton2指 SPWM波 “开”时刻，toff1、toff2指SPWM波的“关”时刻；当在顶点位置进行采样时有：
（3-1）
当在底点位置采样时有：
（3-2）
由三角形相似原理及式（3-1）和（3-2）可得：
（3-3）
式中：M为正弦波峰值与三角波峰值之比；
为正弦波频率与三角波频率之比。
所以，脉冲宽度为：
（3-4）
式（3-4）是生成三相SPWM调制波其中一相对应的脉冲宽度，若要生成三相的SPWM，还需要两个相差上互差120°正弦调制波分别于上述的三角载波相交求交点，再利用上面的计算方法计算出另外两相的脉冲宽度。为了满足电机控制实时性的要求，通常将得到的脉冲宽度值制成表格，存于微处理器的存储空间内，便于查表使用。
3.2 SPWM波的软件实现
定时器1下溢中断子程序是定时器1计数器为0时产生的中断，即在三角载波的底点处产生的中断，其中断子程序主要完成输出SPWM波形脉冲宽度的计算，实现六路SPWM信号的生成；而SPWM波形脉冲宽度是通过设置定时器1被写入三个占空比寄存器。图4给出了定时器1下溢中断服务子程序框图。
此流程图给出了生成六路SPWM脉冲的具体流程：捕获中断服务子程序模块确定了调制波频率和幅值两个重要参数，则根据前面第三章选用不对称规则采样法便可以生成SPWM波，其采样原理为：
( k=0,1,….N-1) (3-5)
式中: M --正弦波与三角波的幅值之比；
N--正弦波与三角波的周期之比，设载波比N= 36；
、
、
--SPWM 开关时刻；
TC--三角载波周期(s)，也是定时器1周期寄存器的值。
实时计算得到的TM值每隔10ms执行一次的PI控制，其算法的运算结果将分别用于计算和更新式(3-5)中的TC和M值。同时式(3-5)中的三相正弦函数在实际的程序设计中不需要每一相都要计算，可以使用一个包含正弦波所有点的查找表，每经过一个周期性间隔从该表读出正弦值，将此正弦值转换成其对应的占空比数值，同时将它赋值给占空比寄存器；另外查找表的建立主要是计算其中一相所有采样点对应的正弦值，然后把所有正弦值存放于一个表中，其余两相相位上相差120°只是采样位置不同罢了，但对于的所有采样点对于的正弦值是一样的，所以它们三相共同使用一个表。在给另外两相的占空比寄存器赋值时，不需要重新计算只需在创建表中查找即可。
4实验结果及分析
按照上述控制策略设计了正弦波驱动无刷直流电机控制系统，同时选用型号为42BLF02的电机进行了实验，其工作电压为24V,极对数为4，额定功率为52W。
测试过程中用霍尔传感器信号控制电机的情况。在直流电源24V，给定转速为1500RPM，使电机空载运行，用型号为DS5062MA的示波器测试定子电流波形，图5给出了定子电流波形图，这是在电机平稳运行时测得，由波形图可以明显看到此波形正弦化程度非常高，证实了无刷直流电机正弦波驱动的正确性。
图4 定时器1下溢中断 图5 定子电流波形图
服务子程序流程图
5 结论
本文设计的SPWM控制策略可以实现无刷直流电机正弦波驱动，选用不对称规则采样法完成SPWM算法的调制，更能有效的减小电机的转矩脉动。此控制算法简单易于实现，具有很好的实用价值，特别适用于小功率有位置传感器的无刷直流电机控制中。
参考文献
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作者简介
段九阳，男，硕士，从事控制工程研究方向。
张民，女，博士，教授，从事电力传动与自动化和计算机控制方向的研究。
论文作者:张民,段九阳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/21
标签：直流电机论文; 正弦论文; 霍尔论文; 正弦波论文; 载波论文; 周期论文; 波形论文; 《电力设备》2018年第15期论文;