無(wú)刷直流電機(jī)電流測(cè)量的探究

楊晨娜

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安,710032）

無(wú)刷直流電機(jī)電流測(cè)量的探究

楊晨娜

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安,710032）

近幾年，無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而有效的電流測(cè)量是控制方法實(shí)現(xiàn)的前提，也是提高控制性能的基礎(chǔ)。本文基于TMS320LF2407ADSP控制器，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)電流進(jìn)行采樣，并利用二階巴特沃思低通濾波器進(jìn)行濾波，得到較為平滑的電流，到達(dá)有效控制電機(jī)的目的。

無(wú)刷直流電機(jī)；電流；二階巴特沃思低通濾波器

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換向取代機(jī)械換向，具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)具有直流電機(jī)線性機(jī)械特性、調(diào)速特性以及優(yōu)良的控制性能；另外它損耗小、容量大、體積小、干擾小、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此無(wú)刷直流電機(jī)的這種高性能系統(tǒng)將在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)控制中將扮演越來(lái)越重要的角色，但它的控制方法還不是很完善，現(xiàn)有的各種控制方法存在一些缺陷。本文對(duì)電流測(cè)量方面進(jìn)行了研究。

1 DSP處理器

TMS320LF2407A芯片作為DSP控制器TMS320LF240X系列的新成員，是TMS320C2000TM平臺(tái)下的一種定點(diǎn)DSP芯片。該芯片將電機(jī)控制所必需的外圍電路(如A/D轉(zhuǎn)換器、位置/速度檢測(cè)倍頻計(jì)數(shù)器、PWM發(fā)生器等)與DSP內(nèi)核集成于一體，是業(yè)界非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的數(shù)字電機(jī)控制器之一。并具有以下一些特點(diǎn)：供電電壓僅為3.3V，兩個(gè)事情管理器模塊EVA和EVB， 8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道，10A/D轉(zhuǎn)換器等等。利用TMS320LF2407A的這些特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能有：使用SCI模塊接收上層主機(jī)發(fā)出的參考輸入和控制命令、響應(yīng)上層主機(jī)的查詢命令并反饋信息；使用AD模塊對(duì)流經(jīng)電機(jī)的電流進(jìn)行采樣和計(jì)算；使用QEP電路連接光電編碼器獲得電機(jī)的位置和速率等信息；控制算法的實(shí)施并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)的輸出；故障檢測(cè)和保護(hù)；CAN控制器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。

當(dāng)采用DSP構(gòu)成全數(shù)字伺服系統(tǒng)時(shí)，其所有控制功能可以由軟件實(shí)現(xiàn)，故有利于提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本，并且可以采用先進(jìn)的現(xiàn)代控制策略，獲得更高的控制性能，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障診斷、故障冗余等功能，使伺服系統(tǒng)更趨于智能化。

2 電流采樣電路

電流的獲取采用單電流采樣，電路如圖1所示，主要由運(yùn)算放大電路和隔離電路組成。兩級(jí)電路均采用最常用的LM324芯片，此芯片只需要單電源供電，供電電壓可以從3V～32V，這樣在給電路提供電源時(shí)帶來(lái)方便，而且性能穩(wěn)定，電路簡(jiǎn)單。第一級(jí)為放大電路，電壓信號(hào)從同相端輸入，在1端口輸出，輸出端口和反相輸入端由電阻R5連接，引入負(fù)反饋，運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)，所放大的倍數(shù)為（1＋R5/R4）。第二級(jí)為電壓跟隨器，起到隔離和匹配的作用，它也是同相輸入，由于同相輸入阻抗無(wú)窮大，在此采用R6電阻進(jìn)行匹配。由于DSP所輸入的最大電壓為3.3V，

因此可以根據(jù)此電壓結(jié)合電機(jī)額定電流、采樣電阻設(shè)置相應(yīng)的放大倍數(shù)。

圖1 采樣電阻與DSP的A/D連接電路

3 電流測(cè)量及數(shù)字濾波

利用TMS320LF2407A內(nèi)部?jī)山M獨(dú)立的10位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在AD轉(zhuǎn)換過(guò)程中，以參考電壓為基準(zhǔn)電源，于10位A/D轉(zhuǎn)換時(shí)形成1024位的電壓準(zhǔn)位。且其轉(zhuǎn)換時(shí)間最少需要375ns。但是對(duì)于2407來(lái)說(shuō)，快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間(S/H+轉(zhuǎn)換)最快為500ns。

使用ADC模塊，可以完全滿足對(duì)流經(jīng)電機(jī)的電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的要求。電流的測(cè)量值為相應(yīng)通道的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的高10位。

為了提高采樣結(jié)果的分辨率，可以對(duì)同一個(gè)通道進(jìn)行多次采樣，即對(duì)該通道實(shí)行“過(guò)采樣”。另一方面，為了避免信號(hào)干擾的影響，減少不必要的電流調(diào)節(jié)過(guò)程，在電流閉環(huán)中引入了數(shù)字濾波器。使用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器除具有精確度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，還具有靈活性好、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 數(shù)字濾波器選擇

對(duì)于數(shù)字濾波器，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分類，可分為無(wú)限脈沖響應(yīng)（Infinite Impulse Response, IIR）濾波器和有限脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response, FIR）濾波器之分。IIR數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)是：

FIR數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)是：

這兩類濾波器不管在設(shè)計(jì)方法上還是性能方面都有很大的區(qū)別。其中，采用IIR濾波器達(dá)到預(yù)期效果只需要較低的階數(shù)，但是它是一種遞歸形式，由于計(jì)算精度的原因在定點(diǎn)DSP上實(shí)現(xiàn)有可能會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；而采用FIR濾波器就不會(huì)出現(xiàn)這一情況，它是一種非遞歸形式，總是穩(wěn)定的，且具有嚴(yán)格的線性相移，在DSP上實(shí)現(xiàn)非常容易，它的缺點(diǎn)就是需要較大的存儲(chǔ)空間和較復(fù)雜的運(yùn)算。

在本文的研究中，考慮到使用最低階次達(dá)到預(yù)期效果，而且算法不能太復(fù)雜，占用的存儲(chǔ)空間應(yīng)該比較小，選用了IIR濾波器。通過(guò)幾種數(shù)字濾波器濾波效果的實(shí)驗(yàn)比較，選擇了二階巴特沃思低通濾波器用于對(duì)電流測(cè)量值的濾波。

3.2 濾波器系數(shù)的確定

在選擇的數(shù)字濾波器中需要確定的參數(shù)有br和ak，只有選擇到合適的參數(shù)值才能得到最好的濾波效果。在調(diào)試過(guò)程中，參數(shù)的整定是一個(gè)比較復(fù)雜和繁瑣的過(guò)程。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，減少工作量，在這里使用MATLAB進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

MATLAB的信號(hào)處理工具箱中提供了各種濾波器的設(shè)計(jì)函數(shù)。對(duì)于低通數(shù)字巴特沃思濾波器，調(diào)用格式為：

3.3 濾波器使用效果

電流環(huán)的采樣頻率是10kHz，從電流采樣波形上可以看出，截止頻率是250Hz。在MATLAB中調(diào)用式(3)可以得到：

在DSP中使用Q5格式表示浮點(diǎn)小數(shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)用MATLAB運(yùn)算得出的系數(shù)在定點(diǎn)DSP中進(jìn)行數(shù)字濾波運(yùn)算。

4 實(shí)驗(yàn)

本文中使用的Maxon無(wú)刷直流電機(jī)裝有一個(gè)減速比為49：4的行星齒輪減速箱，其型號(hào)為203115。額定電流5.24A，相間電阻0.518Ω，相間電感0.132mH，轉(zhuǎn)矩常數(shù)24.6mNm/A，速度常數(shù)389rpm/V，機(jī)械時(shí)間常數(shù)7.3ms，轉(zhuǎn)子慣量85gcm2。在給定速度為1000rpm的階躍響應(yīng)情況下，當(dāng)電機(jī)達(dá)到平穩(wěn)時(shí)使用數(shù)字濾波器前后得到的電流采樣結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2為使用濾波器前的電流響應(yīng)情況，圖3為使用濾波器后的電流響應(yīng)情況。

從圖中可以看出使用數(shù)字濾波器后能很好的濾除電流干擾量，達(dá)到平滑電流的效果，使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)，達(dá)到更為有效的控制。

圖2 濾波前電流曲線

圖3 濾波后電流曲線

[1] 任志斌.電動(dòng)機(jī)的DSP控制技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)電力出版社,2012.6

[2] 王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSP控制:TI公司DSP應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.9

[3] 桑國(guó)明,劉智.數(shù)字濾波器的DSP實(shí)現(xiàn)[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào),2001.8,第22卷第四期.

[4] 泰勒.數(shù)字濾波器原理及應(yīng)用(借助MATLAB)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013.7

[5] 盧光躍.數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2012.6

[6] 穆?tīng)?MATLAB實(shí)用教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.1

Research on Current Measurement of Brushless DC Motor

Yang Chenna
（Xi’an Professional Technology College,Xi’an Shanxi,710032）

In recent years,brushless DC motor in industrial control field is applied more and more widely, and the current measurement is the premise to realize effective control method,and the basis to improve the control performance too.In this paper,based on the TMS320LF2407ADSP controller,sampling of the current free brush DC motor,and filtering by using two order Butterworth low-pass filter,a current smoother,effectively control the motor to reach.

brushless DC motor;current;two order Butterworth lowpass filter