使用霍尔效应传感器的无刷直流(BLDC)电机梯形控制.pdf

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ZHCA558–July 2013

使使用用霍霍尔尔效效应应传传感感器器的的无无刷刷直直流流

(BLDC)

电电机机梯梯形形控控制制

Bilal Akin and Manish Bhardwaj

摘摘要要

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。 TMS320F280x 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：

• 磁场定向电机控制原理的理论背景

• 基于模块化软件块的递增构建级

• 试验结果

内内容容

1 简介 ........................................................................................................................... 2

2 BLDC 电机 ................................................................................................................... 3

3 BLDC 电机控制 .............................................................................................................. 4

4 系统拓扑 ...................................................................................................................... 5

5 32 位 C2000 控制器针对数字电机控制 (DMC) 的优势 ................................................................. 8

6 TI 文献和数字电机控制 (DMC) 库 ......................................................................................... 8

7 硬件配置（HVDMC R1.1 套件） ........................................................................................ 13

8 递增系统构建用于传感 BLDC 项目 ...................................................................................... 16

9 参考书目 .................................................................................................................... 33

图图片片列列表表

1 具有一个永磁对极转子的三相同步电机................................................................................... 3

2 针对一个 BLDC 电机的速度和电流控制环路配置 ....................................................................... 4

3 两相打开运行和转矩纹波内的电气波形................................................................................... 5

4 正弦波电机内的转矩纹波被控制为一个 BLDC........................................................................... 5

5 三相反相器 ................................................................................................................... 6

6 依据 PWM 占空比的分流电阻器压降（软斩波）........................................................................ 7

7 一个 3 相 BLDC 驱动实现 ................................................................................................ 10

8 BLDC 电机霍尔传感器控制的总体方框图 .............................................................................. 11

9 软件流 ....................................................................................................................... 12

10 使用交流电源生成直流总线电源 ......................................................................................... 14

11 使用外部直流电源为反相器生成直流总线 .............................................................................. 15

12 PWM 输出：PWM 1（黄色），PWM 2（粉色）和 PWM 5（绿色），PWM 6（蓝色）........................ 18

13 1 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 19

14 霍尔效应传感器的输出，霍尔 A，B 和 C............................................................................... 21

15 PWMDAC 输出 BemfA，BemfB 和 BemfC (Vdcbus = 160V) ....................................................... 21

16 (a) mod6 计数器 (b) 脉冲输出，dlog.prescalar = 3 ................................................................... 22

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使用霍尔效应传感器的无刷直流

(BLDC)

电机梯形控制

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简介

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17 (a) mod6 计数器，(b) BemfA, (c) BemfB 和 (d)BemfC (dlog.prescalar = 25 而 Vdcbus = 160V) .............. 22

18 2 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 23

19 (a) mod6 计数器，(b) HallGpioAccepted (dlog.prescalar = 25 而 Vdcbus = 160V) .............................. 25

20 (a) mod6 计数器，(b) HallGpioAccepted, (c) mod1.trigInput (Vdcbus = 160V) ................................... 25

21 3 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 26

22 (a) mod6 计数器，(b) HallGpioAccepted, (c) 速度，（在 0.5 pu 负载下，Vdcbus = 160V）................... 28

23 4 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 29

24 (a) mod6 计数器，(b)BemfA, (c) BemfB (c)BemfC（无负载，速度 0.5pu 时，Vdcbus = 160V） ............. 30

25 (a) mod6 计数器，(b)BemfA, (c) BemfB (c)BemfC（0.5pu 负载下，速度 0.3pu，Vdcbus = 160V） ......... 31

26 5 级 - 递增系统构建方框图 ............................................................................................... 32

图图表表列列表表

1 BLDC 和 PMSM 电机间的比较 ............................................................................................ 3

2 观察窗口变量............................................................................................................... 16

3 每个递增系统构建中的测试模块 ......................................................................................... 16

1 简简介介

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，

诸如更加的效率和减少的电磁干扰。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），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。

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C B

B C

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BLDC

电机

2 BLDC 电电机机

BLDC 电机是一个在转子（移动部分）上具有永磁体，而在定子上（固定部分）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。

图图 1. 具具有有一一个个永永磁磁对对极极转转子子的的三三相相同同步步电电机机

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

表表 1. BLDC 和和 PMSM 电电机机间间的的比比较较

BLDC 和和 PMSM 电电机机间间的的比比较较

BLDC PMSM

同步机器同步机器

直流供电正弦电流供电

梯形反电势正弦反电势

定子磁通位置每 60°换相持续定子磁通位置变化

同一时间只有两个相位打开 (ON) 有可能在同一时间打开三个相位

换相时的转矩纹波换相时无转矩纹波

可闻范围内的低阶电流谐波由正弦激发造成的更少谐波

由谐波含量造成的更高内核损耗更低的内核损耗

更少的开关损耗同一开关频率上的更高开关损耗

控制算法相对简单控制算法是数学密集型

• 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。

• 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。

• 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

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(a)

(b)

(c)

Speed

Computation

Zero Crossing

Detection and Delay

Phase Voltage

Measurement

3 Phase

Inverter

Synchronization

PWM Control

Controller

Speed

Reference

–

3 Phase

BLDC

Motor

Speed

Computation

Zero Crossing

Detection and Delay

Phase Voltage

Measurement

3 Phase

Inverter

Synchronization

PWM Control

PID

Coptroller

Controller

Speed

Reference

–

I ref

I phase

3 Phase

BLDC

Motor

Zero Crossing

Detection and Delay

Phase Voltage

Measurement

3 Phase

Inverter

Synchronization

PWM Control

PID

Controller

I ref

–

3 Phase

BLDC

Motor

1 1 4

2 2

dL dR N

T i B Brl i

d d

q q p

æ ö æ ö æ ö

= - +

ç ÷ ç ÷ ç ÷

è ø è ø è ø

2E NlrBw=

BLDC

电机控制

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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。

• 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 电电机机控控制制

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。反电势振幅可表示为：

而转矩项为：

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，θ 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。

图图 2. 针针对对一一个个 BLDC 电电机机的的速速度度和和电电流流控控制制环环路路配配置置

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Torque

Phase C

Phase B

Phase A

Torque

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系统拓扑

BLDC 电机的特点是两相位打开运行以控制反相器。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：

• 一次只需要控制一个电流

• 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）

• 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。

图图 3. 两两相相打打开开运运行行和和转转矩矩纹纹波波内内的的电电气气波波形形

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：

• 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。

• 产生的转矩值变弱。

图图 4. 正正弦弦波波电电机机内内的的转转矩矩纹纹波波被被控控制制为为一一个个 BLDC

4 系系统统拓拓扑扑

4.1

三三相相反反相相器器

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。

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