摘要：根據(jù)無刷直流電機的工作原理，采用霍爾傳感器作為位置傳感器，TI公司的DSP芯片TMS320LF2406非常適合作為無刷直流電機(BLDC)的控制芯片，建立了無刷直流電機相位檢測手段，轉(zhuǎn)子位置檢測模塊的軟件設(shè)計流程，簡述電動汽車無刷直流電機控制系統(tǒng)的相位測試的硬件控制策略和軟件設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；電動汽車；霍爾傳感器；相位測試
本文選用無刷直流電動機為電動汽車的驅(qū)動電機，DSP的TMS320LF2407A控制器為核心，霍爾傳感器為位置傳感器，轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電機的關(guān)鍵部件，其作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子電樞繞組軸線的位置信號，為功率開關(guān)提供正確的開關(guān)信息，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化而換相，從而使無刷直流電機正常工作。本文采用霍爾傳感器為位置傳感器，提出了一種獲取無刷直流電機起轉(zhuǎn)子相對于定子的位置信號相位測試的方法，導(dǎo)出了傳感器信號和逆變器驅(qū)動信號的邏輯關(guān)系。
1 控制器總體方案
基于DSP實現(xiàn)的電機伺服系統(tǒng)可以僅用一片DSP就可以替代單片機和各種接口，擴展方便，可以實現(xiàn)位置、速度和電流環(huán)的全數(shù)字化控制，故控制電路采用DSP的TMS320LF2407A控制器為核心，采用該芯片設(shè)計控制器，只需要很少的外圍芯片即可完成所有的控制任務(wù)。
該控制器的硬件如圖1所示，本文重點對無刷直流電機相位進行測試，基本上包括功率驅(qū)動部分、DSP控制核心部分、A／D信號檢測部分等。
2 電機的工作原理及硬件實現(xiàn)
在BLDC中，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動60°，霍爾傳感器就會改變它的相，因此每個霍爾傳感器的一個相代表一個具體轉(zhuǎn)子位置。由霍爾模式(圖2)知，信號由霍爾傳感器產(chǎn)生，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)著一個霍爾傳感器。
圖3是三相無刷直流電機驅(qū)動控制使用霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，使用了3個位置間隔120°分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉(zhuǎn)子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進行處理，每個霍爾傳感器的輸出與捕獲單元的一個輸入引腳相連，把捕捉口設(shè)置為I／O口，并檢測該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息，實現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)和換相控制。
無刷直流電機控制系統(tǒng)通常采用兩兩通電方式，每一時刻只有2個上下橋臂的功率管導(dǎo)通，每隔60°電角度會換向一次。每一次功率管導(dǎo)通120°電角度，各功率管導(dǎo)通順序依次為+A-B、+A-C、+B-C、+B-A、+C-A、+C-B，共六個狀態(tài)。圖3中功率變換器的六個開關(guān)元件IGBT的柵極驅(qū)動信號由DSP通過PWM1至PWM6引腳經(jīng)過三相驅(qū)動電路隔離放大供給。其中，上橋臂的A+、B+、C+分別接受DSP的PWM1、PWM3、PWM5管腳的控制；下橋臂的A-、B-、C-分別接受DSP的PWM2、PWM4、PWM6管腳的控制。另外，位置傳感器的三路位置輸出信號H0、H1、H2經(jīng)過施密特整形處理后分別給DSP的捕獲口(CAPX)?；魻杺鞲衅鬏敵?個互相交疊180°的信號，通過檢測輸出信號的上升沿和下降沿，可以得到6個相位交變的時刻，同時發(fā)出中斷信號，產(chǎn)生中斷，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序即可得到所需的位置信號。
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3 檢測信號的DSP接口
霍爾傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測和速度估算，合理設(shè)計轉(zhuǎn)子位置傳感器與DSP的接口，并考慮位置信號處理方法，可以正確地獲得轉(zhuǎn)子位置信息?；魻杺鞲衅骼么琶艋魻栐z測轉(zhuǎn)子永磁磁極位置，即當轉(zhuǎn)子永磁N極接近霍爾元件時，輸出信號為高電平，而當轉(zhuǎn)子S極接近霍爾元件時，輸出信號為低電平，則轉(zhuǎn)子永磁磁極間的位置就是霍爾元件輸出的電平位上升沿或下降沿的位置。因為本文討論的是三相無刷直流電動機，所以無法采用正交編碼器接口處理轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器信號，需采用DSP的數(shù)字口。
3．1 事件管理器的CAP口方式
DSP控制器有兩級FIFO堆棧緩沖器，易于對兩次間隔很短的跳變捕獲。TMS320LF2407A有兩個事件管理器EVA和EVB，每個事件管理器各有3個捕獲口，該系統(tǒng)的捕獲單元為CAP1、CAP2、CAP3、CAP4、CAP5、CAP6，每個捕獲單元都有一個相應(yīng)的捕獲引腳，他們的時鐘和計數(shù)方式以及捕獲上升沿或下降沿均可以進行設(shè)置。當捕獲引腳上檢測到1個霍爾位置信號脈沖時，則定時器的值被捕獲并存儲在相應(yīng)的2級深度的FIFO堆棧緩沖器中以供CPU讀取，這樣就可以得到轉(zhuǎn)子位置信號。
3．2 數(shù)字I／O口輸入
將數(shù)字I／O口引腳設(shè)置成輸入功能，霍爾元件輸出的信號通過DSP芯片的數(shù)字I／O口輸入，定時讀取I／O口數(shù)據(jù)寄存器，并判斷霍爾位置信號地電平高低變化，從而確定轉(zhuǎn)子位置信息，并估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達到控制無刷直流電機電機導(dǎo)通順序的目的。
3．3 數(shù)字I／O口中斷
數(shù)字I／O口可以設(shè)置成中斷方式。中斷方式有：邊沿中斷和電平中斷兩種，霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子磁極位置信號，希望能知道電平高低的翻轉(zhuǎn)時刻，從而正確地確定轉(zhuǎn)子位置并估算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
4 轉(zhuǎn)子位置檢測模塊軟件設(shè)計
獲得轉(zhuǎn)子位置信息確定三相繞組換相時序、實現(xiàn)電機正確換相是轉(zhuǎn)子位置檢測的目的之一，轉(zhuǎn)子位置檢測模塊包括電機啟動模塊、霍爾信號中斷捕獲模塊、換相模塊。
4．1 電機啟動模塊
由無刷直流電機換相原理，知電機起動模塊和霍爾信號中斷捕獲模塊用來讀取3個霍爾信號的狀態(tài)，目的是確定逆變器的換相順序。電機在運行狀態(tài)時，讀取捕獲端口的狀態(tài)，即可方便的知道電機所處的狀態(tài)；但是電機停止時，就得通過在電機啟動模塊的軟件上實現(xiàn)先讓電機啟動來產(chǎn)生捕獲中斷。在軟件設(shè)計，設(shè)置T1寄存器來起動定時器，設(shè)置CAP1、CAP2、CAP3引腳為T0功能，查詢霍爾輸入信號得到電機轉(zhuǎn)子的位置就確定了功率管的導(dǎo)通狀態(tài)。當電機轉(zhuǎn)動一定的角度時，霍爾信號相應(yīng)的發(fā)生改變，通過恢復(fù)捕獲口CAP1、CAP2、CAP3為捕獲功能引發(fā)一個捕獲中斷，在中斷程序中又會根據(jù)當前霍爾信號的狀態(tài)改變PWM引腳的狀態(tài)，使電機持續(xù)旋轉(zhuǎn)起來，實現(xiàn)電機的起動。其流程圖為圖4。
4．2 霍爾信號中斷模塊
霍爾傳感器位置信號隨著電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而發(fā)生改變，控制器的捕獲單元在霍爾信號輸入引腳上捕獲到跳變沿信號，相應(yīng)的中斷標志CAPXX1-NT被置位，該中斷向量的偏移地址被寫入到對應(yīng)的事件中斷向量寄存器中，同時中斷標志寄存器IMR中的INT4位由硬件置1，對應(yīng)于DSP控制器的內(nèi)核中斷INT4，進入到DSP內(nèi)核中斷INT4的服務(wù)子程序。進入INT4服務(wù)子程序后，先將DSP控制器狀態(tài)寄存器ST0、ST1和累加器ACC壓入堆棧，保護現(xiàn)場，再將相應(yīng)事件中斷向量寄存器的中斷向量偏移地址送入到累加器，然后經(jīng)分支跳轉(zhuǎn)指令轉(zhuǎn)入到捕獲中斷服務(wù)子程序的入口上，進入捕獲中斷服務(wù)子程序后，記下每兩次CAP中斷的時間間隔△T。
通過設(shè)置CAP1、CAP2、CAP3為IO功能查詢捕獲單元位置信號的輸入引腳獲得轉(zhuǎn)子位置信號，根據(jù)此信號值查表計算換相程序偏移向量，調(diào)用相應(yīng)的換相PWM子程序，從而通過改變PWM方式控制器ACTRA的值來控制PWM輸出信號的改變，實現(xiàn)電動機的換相，然后恢復(fù)CAP1、CAP2、CAP3的捕捉功能，并將計數(shù)器清零，最后CPU將狀態(tài)寄存器ST0，ST1及累加器ACC彈出堆棧，并推出INT4內(nèi)核中斷，結(jié)束捕獲中斷服務(wù)子程序(圖5)。
4．3 邏輯換相模塊
根據(jù)三相霍爾信號，以及無刷直流電機速度控制模塊輸出的PWM信號，邏輯換相模塊輸出6個電機換相及速度控制脈沖。有三相霍爾位置信號(H0、H1、H2)和由控制器模塊輸出的PWM信號這四個信號。定義Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6為六個輸出信號，控制三相逆變器功率管的通斷，Q1、Q3、Q5用于控制上側(cè)功率管的通斷，Q2、Q4、Q6用于控制下側(cè)功率管的通斷，邏輯關(guān)系為：
通過讀取霍爾位置中斷捕捉模塊中的霍爾信號獲取電機轉(zhuǎn)子位置信號，確定逆變器功率管的開關(guān)狀態(tài)。霍爾傳感器的輸出信號經(jīng)過控制電路的邏輯處理，才能實現(xiàn)無刷直流電動機電樞繞組正確換相。對該系統(tǒng)軟件正確編制決定了無刷直流電動機繞組電流的正確換相。電機繞組電流的換相時刻是由轉(zhuǎn)子磁極位置確定的，位置傳感器編碼結(jié)果與功率變換器的開關(guān)管導(dǎo)通順序一一對應(yīng)。
5 結(jié)束語
文中介紹了電動汽車的一種新型驅(qū)動無刷直流電動機，重點介紹霍爾傳感器作為位置傳感器在無刷直流電機中的應(yīng)用原理和相位測試方法，輸入的轉(zhuǎn)子霍爾位置信號和反饋電流信號對電機進行換相，實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制，達到對電機進行速度控制的目的。無刷直流電動機在啟動時需要位置信號；位置信號還可以用于產(chǎn)生速度控制量；為了保證得到恒定的最大轉(zhuǎn)矩，就必須不斷地對三相無刷直流電動機進行換相，因此對于相位的測試具有重要的意義。
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