基于軟件觀測器的無刷直流電機控制策略研究和實驗

顧加鵬 ，顧佳輝 ，任明樂 ，王保升 ， 李 寧

（1.南京工程學(xué)院，江蘇 南京 211167；2.智能制造裝備研究院，江蘇 南京 211167）

0 引言

根據(jù)勵磁磁勢的不同，三相永磁同步電機可以分為正弦波形永磁同步電機（PMSM），方波形永磁同步電機（BLDC）。按照傳統(tǒng)的技術(shù)，正弦波永磁同步電機，一般采用正弦波矢量控制技術(shù)，用于高精度的位置伺服控制，需要比較高精度的位置檢測器，如光電脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等等[1]。無刷直流電機一般采用方波控制方式，只用于簡單的速度控制，僅僅裝有簡單的開關(guān)型霍爾位置檢測器，其直接檢測的精度只有60°電角度。無刷直流電機控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是可靠，成本低，缺點是控制精度低，動態(tài)性能較差[3～5]。

本文為了克服傳統(tǒng)無刷直流控制系統(tǒng)中存在問題，在保留了傳統(tǒng)無刷直流電機控制系統(tǒng)優(yōu)點的基礎(chǔ)之上，通過軟件觀測器實現(xiàn)對無刷直流電機轉(zhuǎn)角、速度、負載的準(zhǔn)確檢測，實現(xiàn)無刷直流電機的正弦波矢量控[6～10]。

1 軟件觀測器的實現(xiàn)原理

該軟件觀測器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該軟件觀測器實現(xiàn)的功能是實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)角、速度的準(zhǔn)確檢測，檢測過程分為兩個部分：第一部分是通過對經(jīng)過倍頻的霍爾輸出信號進行采樣，濾波得到轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的計算值；第二部分是依據(jù)電機學(xué)的動力學(xué)特征，構(gòu)建電機模型得到轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的觀測。

圖1 軟件觀測器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of software observer

1.1 電機轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的計算值

圖2 霍爾位置輸出信號Fig.2 Signal of hall position sensor

如圖2所示，無刷直流電機的位置信號是由三個安裝位置相隔120°電角度的開關(guān)型霍爾傳感器產(chǎn)生，其輸出信號為 Ha 、Hb、Hc，在每360°電角度內(nèi)給出6個代碼，排列順序分別為101、100、110、010、011、001。

伊立替康（irinotecan）臨床上主要用于治療轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌，但會伴隨急性膽堿能綜合征、中性粒細胞減少以及腸黏膜炎等副作用，嚴(yán)重限制了伊立替康的治療效果及臨床應(yīng)用[1-2]。誘導(dǎo)腸上皮細胞凋亡是伊立替康產(chǎn)生胃腸道毒性的直接原因，伊立替康及其代謝產(chǎn)物SN-38與拓撲異構(gòu)酶I結(jié)合引發(fā)DNA損傷，在發(fā)揮抗腫瘤作用的同時導(dǎo)致正常腸上皮細胞的凋亡從而產(chǎn)生炎癥[3]。臨床上常用洛哌丁胺、奧曲肽、醋托啡烷、布地奈德等作為伊立替康胃腸毒性治療藥物，但這些藥物本身會導(dǎo)致一定的毒性和致死率[4]，故近年來研究方向逐漸轉(zhuǎn)向具有多靶點多途徑的中藥減毒。

根據(jù)電機的動力學(xué)特征，構(gòu)建出電機的轉(zhuǎn)角與速度觀測模型如式（5）和（6）所示：

這是中糧推行的“糧食銀行+”農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺功能之一。作為最大的國有農(nóng)糧企業(yè)，自2016年起中糧在黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等糧食主產(chǎn)區(qū)，以區(qū)域糧庫為主要抓手搭建起“糧食銀行+”農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)平臺，將訂單農(nóng)業(yè)、農(nóng)資服務(wù)、農(nóng)機服務(wù)、“糧食銀行”、農(nóng)業(yè)金融、增值服務(wù)甚至移動互聯(lián)網(wǎng)+的服務(wù)整合起來，直接對接服務(wù)農(nóng)民。

式中：k—循環(huán)采樣的次數(shù)，是電機轉(zhuǎn)角的第k次計算值，（k）是電機速度的第k次計算值，N（K）是第k次檢測到得位置脈沖總個數(shù)；P—電機磁極對數(shù)；T—檢測周期。將得到的電機轉(zhuǎn)角計算值和速度計算值，按照式（3）和式（4），進行低通濾波處理，得到電機的轉(zhuǎn)角值和速度值：

改革開放40年，隨著美劇、韓流、日本動漫等外來文化流入，中國文化價值觀正發(fā)生深刻變化。廣大青年推崇的西方自由主義和傳統(tǒng)的孝廉文化觀念在很多方面發(fā)生沖突。178年前大英帝國用一場鴉片戰(zhàn)爭撬開了中國大門。今天，中國傳統(tǒng)價值觀更是受到西方價值觀的猛烈沖擊。中國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化如何傳承發(fā)展成為亟待解決的一個時代命題。

式中：a1和a2是負載觀測器系數(shù)可離線計算得到。

1.2 電機轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速的觀測值

為了提高控制精度需要將Ha、Hb、Hc三路信號進行處理，一般的做法是將這三路信號進行倍頻處理[2]。本文中將以固定的檢測周期T，實時讀取經(jīng)過倍頻以后的霍爾信號，實時記取脈沖的個數(shù)，通過式（1）和式（2）得到電機轉(zhuǎn)角的計算值速度計算值：

式中：θ （k）—電機轉(zhuǎn)角的第 k 次濾波輸出值；ω（k）—電機速度的第k次濾波的輸出值；α—濾波器系數(shù)，介于0和1之間，應(yīng)當(dāng)隨著速度的變化進行調(diào)整，電機的速度越低值應(yīng)該越小，反之值應(yīng)該變大。

當(dāng)前，中國以更加開放的姿態(tài)與全球合作，為中外企業(yè)創(chuàng)造了前所未有的發(fā)展新機遇。依托遍布全球100多個國家的業(yè)務(wù)布局、全球領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)以及豐富的海外項目管理經(jīng)驗，ABB全面融入中國倡議的“一帶一路”建設(shè)，與400余家中國企業(yè)在70多個國家和地區(qū)開展緊密合作。僅在2017年，ABB就為280個“一帶一路”相關(guān)項目提供了咨詢、設(shè)計、工程、制造和服務(wù)，幫助降低項目成本和工程風(fēng)險，在全球市場實現(xiàn)合作共贏。

2 軟件觀測器在控制系統(tǒng)中應(yīng)用

無刷直流電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分為位置環(huán)，速度環(huán)和電流環(huán)，位置環(huán)以轉(zhuǎn)角觀測值為位置反饋信號θ*，位置給定信號與位置反饋信號相減而得到位置跟隨誤差，位置跟隨誤差經(jīng)位置控制器，輸出速度環(huán)給定信號ω*，以速度觀測值為速度反饋信號，速度給定值ω*與速度反饋信號相減而得到速度誤差，速度誤差經(jīng)速度控制器，輸出q軸電流給定信號iq*；檢測電機定子電流ia、ib，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換器形成交軸電流iq和直軸電流id；旋轉(zhuǎn)變換器的旋轉(zhuǎn)變換角度是，q軸電流的給定信號iq*與交軸電流iq相減而得到q軸的電流誤差，此誤差經(jīng)q軸電流控制器，輸出交軸電壓 ，d軸電流的給定信號是0，直軸電流經(jīng)d軸電流控制器，輸出直軸電壓ud，經(jīng)逆變器形成電機定子，三相交流電壓參考信號 ua、ub、uc，再經(jīng) SVPWM 調(diào)制，用于控制主回路的逆變器，驅(qū)動電路。其中，速度調(diào)節(jié)器，q軸、d軸電流控制器均采用PI控制算法。

圖3 基于軟件觀測器的控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram based on software observer

3 實驗研究

此策略已經(jīng)運用在無刷直流電機驅(qū)動塞拉門的往復(fù)開關(guān)運動實驗中。此次實驗硬件電路由無刷直流電機，電源模塊，逆變器，處理器，電流傳感器等組成，如圖4所示，主回路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，以TMS320F28035為核心處理器，逆變器由智能功率模塊IRMAX20UP60A實現(xiàn)，定子電流采樣由兩只電流傳感器ACS712來實現(xiàn)，電流采集完畢后信號輸入到TMS320F28035的A/D轉(zhuǎn)換接口。圖3中的軟件觀測器、位置控制器、速度控制器、d軸電流控制器、q軸電流控制器、旋轉(zhuǎn)變換、逆旋轉(zhuǎn)變換等模塊均由軟件實現(xiàn)，SVPWM由TMS320F28035內(nèi)部的硬件實現(xiàn)。圖5是實驗過程中實際測得的電機位移、轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩圖，圖6是電機轉(zhuǎn)速理論觀測值與實際測量值波形圖，通過對比發(fā)現(xiàn)實際測量值的波形與理論觀測值波形基本相同，取得了預(yù)期的效果。

圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖設(shè)計Fig.4 Block diagram of hardware design

圖5 實際位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩Fig.5 Actual displacement,speed and torque

圖6 實際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速Fig.6 Actual and theoretical speed

4 總結(jié)

本文將基于霍爾傳感器的傳統(tǒng)控制方法與無位置傳感器的控制方法相結(jié)合，在無刷直流電機正弦波矢量控制系統(tǒng)中成功應(yīng)用，既解決了傳統(tǒng)控制方法精度不高的問題，也解決了無位置傳感器控制算法復(fù)雜，計算量大的問題；即保留了傳統(tǒng)無刷直流電機控制系統(tǒng)簡單可靠低成本的優(yōu)點，也提高了控制精度和動態(tài)性能。

[1]李寧，陳桂.運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]李寧，汪木蘭，左健明.無刷直流電機霍爾信號細分反饋方法的研究[J].電力電子技術(shù)，2006（5）：68-69.

[3]荀倩，吳勇，王培良，蔡志端.霍爾位置傳感器無刷直流電機啟動控制策略[J].中國測試，2016，8.

[4]顏曉鵬，鐘漢如.基于霍爾位置傳感器的BLDCM控制系統(tǒng)的位置學(xué)習(xí)[J].微特電機，2015，2.

[5]蔡明，章英，白雪蓮，等.線性霍爾傳感器技術(shù)及其在氣動定位控制中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，1.

[6]王哲蓓，王宏華.無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字控制器設(shè)計與開發(fā)[J].電氣與自動化，2016，1.

[7]程時兵，王煒.基于DSP的無刷直流電機位置伺服系統(tǒng)設(shè)計

[J].電子設(shè)計工程，2016，5.

[8]夏長亮，方宏偉.永磁無刷直流電機及其控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，3.

[9]譚亞麗，郭志大.無刷直流電機方波正弦波復(fù)合驅(qū)動器設(shè)計[J].電氣傳動，2011，6.

[10]周西峰，王嚴(yán)，郭前崗.基于吸d軸法的霍爾位置傳感器安裝方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，4.