基于DSP電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)相位測(cè)試

摘要：根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)的控制芯片，建立了無(wú)刷直流電機(jī)相位檢測(cè)手段，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程，簡(jiǎn)述電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的相位測(cè)試的硬件控制策略和軟件設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；電動(dòng)汽車(chē)；霍爾傳感器；相位測(cè)試

    本文選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件，其作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子電樞繞組軸線的位置信號(hào)，為功率開(kāi)關(guān)提供正確的開(kāi)關(guān)信息，使電動(dòng)機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)起轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置信號(hào)相位測(cè)試的方法，導(dǎo)出了傳感器信號(hào)和逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯關(guān)系。

1 控制器總體方案
    基于DSP實(shí)現(xiàn)的電機(jī)伺服系統(tǒng)可以?xún)H用一片DSP就可以替代單片機(jī)和各種接口，擴(kuò)展方便，可以實(shí)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(jì)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(diǎn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)相位進(jìn)行測(cè)試，基本上包括功率驅(qū)動(dòng)部分、DSP控制核心部分、A／D信號(hào)檢測(cè)部分等。

2 電機(jī)的工作原理及硬件實(shí)現(xiàn)
    在BLDC中，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)60°，霍爾傳感器就會(huì)改變它的相，因此每個(gè)霍爾傳感器的一個(gè)相代表一個(gè)具體轉(zhuǎn)子位置。由霍爾模式(圖2)知，信號(hào)由霍爾傳感器產(chǎn)生，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)著一個(gè)霍爾傳感器。

    圖3是三相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制使用霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，使用了3個(gè)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(hào)送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進(jìn)行處理，每個(gè)霍爾傳感器的輸出與捕獲單元的一個(gè)輸入引腳相連，把捕捉口設(shè)置為I／O口，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，就可以知道哪一個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。通過(guò)產(chǎn)生捕捉中斷來(lái)給出換相時(shí)刻，同時(shí)給出位置信息，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制(PWM)和換相控制。

    無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)通常采用兩兩通電方式，每一時(shí)刻只有2個(gè)上下橋臂的功率管導(dǎo)通，每隔60°電角度會(huì)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(gè)狀態(tài)。圖3中功率變換器的六個(gè)開(kāi)關(guān)元件IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP通過(guò)PWM1至PWM6引腳經(jīng)過(guò)三相驅(qū)動(dòng)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(hào)H0、H1、H2經(jīng)過(guò)施密特整形處理后分別給DSP的捕獲口(CAPX)。霍爾傳感器輸出3個(gè)互相交疊180°的信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)輸出信號(hào)的上升沿和下降沿，可以得到6個(gè)相位交變的時(shí)刻，同時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，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(hào)。
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3 檢測(cè)信號(hào)的DSP接口
    霍爾傳感器主要用于轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和速度估算，合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器與DSP的接口，并考慮位置信號(hào)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(cè)轉(zhuǎn)子永磁磁極位置，即當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁N極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，而當(dāng)轉(zhuǎn)子S極接近霍爾元件時(shí)，輸出信號(hào)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?yàn)楸疚挠懻摰氖侨酂o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，所以無(wú)法采用正交編碼器接口處理轉(zhuǎn)子霍爾位置傳感器信號(hào)，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(jí)FIFO堆棧緩沖器，易于對(duì)兩次間隔很短的跳變捕獲。TMS320LF2407A有兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)事件管理器各有3個(gè)捕獲口，該系統(tǒng)的捕獲單元為CAP1、CAP2、CAP3、CAP4、CAP5、CAP6，每個(gè)捕獲單元都有一個(gè)相應(yīng)的捕獲引腳，他們的時(shí)鐘和計(jì)數(shù)方式以及捕獲上升沿或下降沿均可以進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)捕獲引腳上檢測(cè)到1個(gè)霍爾位置信號(hào)脈沖時(shí)，則定時(shí)器的值被捕獲并存儲(chǔ)在相應(yīng)的2級(jí)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(hào)。
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(hào)通過(guò)DSP芯片的數(shù)字I／O口輸入，定時(shí)讀取I／O口數(shù)據(jù)寄存器，并判斷霍爾位置信號(hào)地電平高低變化，從而確定轉(zhuǎn)子位置信息，并估計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制無(wú)刷直流電機(jī)電機(jī)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(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)，希望能知道電平高低的翻轉(zhuǎn)時(shí)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(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)
    獲得轉(zhuǎn)子位置信息確定三相繞組換相時(shí)序、實(shí)現(xiàn)電機(jī)正確換相是轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的目的之一，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊包括電機(jī)啟動(dòng)模塊、霍爾信號(hào)中斷捕獲模塊、換相模塊。
4．1 電機(jī)啟動(dòng)模塊
    由無(wú)刷直流電機(jī)換相原理，知電機(jī)起動(dòng)模塊和霍爾信號(hào)中斷捕獲模塊用來(lái)讀取3個(gè)霍爾信號(hào)的狀態(tài)，目的是確定逆變器的換相順序。電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，讀取捕獲端口的狀態(tài)，即可方便的知道電機(jī)所處的狀態(tài)；但是電機(jī)停止時(shí)，就得通過(guò)在電機(jī)啟動(dòng)模塊的軟件上實(shí)現(xiàn)先讓電機(jī)啟動(dòng)來(lái)產(chǎn)生捕獲中斷。在軟件設(shè)計(jì)，設(shè)置T1寄存器來(lái)起動(dòng)定時(shí)器，設(shè)置CAP1、CAP2、CAP3引腳為T(mén)0功能，查詢(xún)霍爾輸入信號(hào)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置就確定了功率管的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度時(shí)，霍爾信號(hào)相應(yīng)的發(fā)生改變，通過(guò)恢復(fù)捕獲口CAP1、CAP2、CAP3為捕獲功能引發(fā)一個(gè)捕獲中斷，在中斷程序中又會(huì)根據(jù)當(dāng)前霍爾信號(hào)的狀態(tài)改變PWM引腳的狀態(tài)，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動(dòng)。其流程圖為圖4。

4．2 霍爾信號(hào)中斷模塊
    霍爾傳感器位置信號(hào)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生改變，控制器的捕獲單元在霍爾信號(hào)輸入引腳上捕獲到跳變沿信號(hào)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志CAPXX1-NT被置位，該中斷向量的偏移地址被寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的事件中斷向量寄存器中，同時(shí)中斷標(biāo)志寄存器IMR中的INT4位由硬件置1，對(duì)應(yīng)于DSP控制器的內(nèi)核中斷INT4，進(jìn)入到DSP內(nèi)核中斷INT4的服務(wù)子程序。進(jìn)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(hù)現(xiàn)場(chǎng)，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(jìn)入捕獲中斷服務(wù)子程序后，記下每?jī)纱蜟AP中斷的時(shí)間間隔△T。
    通過(guò)設(shè)置CAP1、CAP2、CAP3為IO功能查詢(xún)捕獲單元位置信號(hào)的輸入引腳獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，根據(jù)此信號(hào)值查表計(jì)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(guò)改變PWM方式控制器ACTRA的值來(lái)控制PWM輸出信號(hào)的改變，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的換相，然后恢復(fù)CAP1、CAP2、CAP3的捕捉功能，并將計(jì)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(hào)，以及無(wú)刷直流電機(jī)速度控制模塊輸出的PWM信號(hào)，邏輯換相模塊輸出6個(gè)電機(jī)換相及速度控制脈沖。有三相霍爾位置信號(hào)(H0、H1、H2)和由控制器模塊輸出的PWM信號(hào)這四個(gè)信號(hào)。定義Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6為六個(gè)輸出信號(hào)，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(guò)讀取霍爾位置中斷捕捉模塊中的霍爾信號(hào)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，確定逆變器功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)經(jīng)過(guò)控制電路的邏輯處理，才能實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組正確換相。對(duì)該系統(tǒng)軟件正確編制決定了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組電流的正確換相。電機(jī)繞組電流的換相時(shí)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通順序一一對(duì)應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    文中介紹了電動(dòng)汽車(chē)的一種新型驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)介紹霍爾傳感器作為位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用原理和相位測(cè)試方法，輸入的轉(zhuǎn)子霍爾位置信號(hào)和反饋電流信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相，實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制，達(dá)到對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制的目的。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需要位置信號(hào)；位置信號(hào)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(duì)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行換相，因此對(duì)于相位的測(cè)試具有重要的意義。