基于DSP电动汽车无刷直流电机相位测试

摘要：根据无刷直流电机的工作原理，采用霍尔传感器作为位置传感器，TI公司的DSP芯片TMS320LF2406非常适合作为无刷直流电机(BLDC)的控制芯片，建立了无刷直流电机相位检测手段，转子位置检测模块的软件设计流程，简述电动汽车无刷直流电机控制系统的相位测试的硬件控制策略和软件设计方案。
关键词：无刷直流电机；电动汽车；霍尔传感器；相位测试

    本文选用无刷直流电动机为电动汽车的驱动电机，DSP的TMS320LF2407A控制器为核心，霍尔传感器为位置传感器，转子位置传感器是无刷直流电机的关键部件，其作用是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置信号，为功率开关提供正确的开关信息，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化而换相，从而使无刷直流电机正常工作。本文采用霍尔传感器为位置传感器，提出了一种获取无刷直流电机起转子相对于定子的位置信号相位测试的方法，导出了传感器信号和逆变器驱动信号的逻辑关系。

1 控制器总体方案
    基于DSP实现的电机伺服系统可以仅用一片DSP就可以替代单片机和各种接口，扩展方便，可以实现位置、速度和电流环的全数字化控制，故控制电路采用DSP的TMS320LF2407A控制器为核心，采用该芯片设计控制器，只需要很少的外围芯片即可完成所有的控制任务。

    该控制器的硬件如图1所示，本文重点对无刷直流电机相位进行测试，基本上包括功率驱动部分、DSP控制核心部分、A／D信号检测部分等。

2 电机的工作原理及硬件实现
    在BLDC中，转子每转动60°，霍尔传感器就会改变它的相，因此每个霍尔传感器的一个相代表一个具体转子位置。由霍尔模式(图2)知，信号由霍尔传感器产生，相应的转子位置对应着一个霍尔传感器。

    图3是三相无刷直流电机驱动控制使用霍尔传感器的结构原理图，使用了3个位置间隔120°分布的霍尔传感器，由霍尔器件所输出的转子位置信号送到功率变换电路后，直接送至TMS320LF2407A的捕获单元进行处理，每个霍尔传感器的输出与捕获单元的一个输入引脚相连，把捕捉口设置为I／O口，并检测该口的电平状态，就可以知道哪一个霍尔传感器的什么沿触发的捕捉中断。通过产生捕捉中断来给出换相时刻，同时给出位置信息，实现脉宽调制(PWM)和换相控制。

    无刷直流电机控制系统通常采用两两通电方式，每一时刻只有2个上下桥臂的功率管导通，每隔60°电角度会换向一次。每一次功率管导通120°电角度，各功率管导通顺序依次为+A-B、+A-C、+B-C、+B-A、+C-A、+C-B，共六个状态。图3中功率变换器的六个开关元件IGBT的栅极驱动信号由DSP通过PWM1至PWM6引脚经过三相驱动电路隔离放大供给。其中，上桥臂的A+、B+、C+分别接受DSP的PWM1、PWM3、PWM5管脚的控制；下桥臂的A-、B-、C-分别接受DSP的PWM2、PWM4、PWM6管脚的控制。另外，位置传感器的三路位置输出信号H0、H1、H2经过施密特整形处理后分别给DSP的捕获口(CAPX)。霍尔传感器输出3个互相交叠180°的信号，通过检测输出信号的上升沿和下降沿，可以得到6个相位交变的时刻，同时发出中断信号，产生中断，调用相应的中断处理程序即可得到所需的位置信号。
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3 检测信号的DSP接口
    霍尔传感器主要用于转子位置检测和速度估算，合理设计转子位置传感器与DSP的接口，并考虑位置信号处理方法，可以正确地获得转子位置信息。霍尔传感器利用磁敏霍尔元件检测转子永磁磁极位置，即当转子永磁N极接近霍尔元件时，输出信号为高电平，而当转子S极接近霍尔元件时，输出信号为低电平，则转子永磁磁极间的位置就是霍尔元件输出的电平位上升沿或下降沿的位置。因为本文讨论的是三相无刷直流电动机，所以无法采用正交编码器接口处理转子霍尔位置传感器信号，需采用DSP的数字口。
3．1 事件管理器的CAP口方式
    DSP控制器有两级FIFO堆栈缓冲器，易于对两次间隔很短的跳变捕获。TMS320LF2407A有两个事件管理器EVA和EVB，每个事件管理器各有3个捕获口，该系统的捕获单元为CAP1、CAP2、CAP3、CAP4、CAP5、CAP6，每个捕获单元都有一个相应的捕获引脚，他们的时钟和计数方式以及捕获上升沿或下降沿均可以进行设置。当捕获引脚上检测到1个霍尔位置信号脉冲时，则定时器的值被捕获并存储在相应的2级深度的FIFO堆栈缓冲器中以供CPU读取，这样就可以得到转子位置信号。
3．2 数字I／O口输入
    将数字I／O口引脚设置成输入功能，霍尔元件输出的信号通过DSP芯片的数字I／O口输入，定时读取I／O口数据寄存器，并判断霍尔位置信号地电平高低变化，从而确定转子位置信息，并估计转子转速，达到控制无刷直流电机电机导通顺序的目的。
3．3 数字I／O口中断
    数字I／O口可以设置成中断方式。中断方式有：边沿中断和电平中断两种，霍尔元件检测转子磁极位置信号，希望能知道电平高低的翻转时刻，从而正确地确定转子位置并估算转子转速。

4 转子位置检测模块软件设计
    获得转子位置信息确定三相绕组换相时序、实现电机正确换相是转子位置检测的目的之一，转子位置检测模块包括电机启动模块、霍尔信号中断捕获模块、换相模块。
4．1 电机启动模块
    由无刷直流电机换相原理，知电机起动模块和霍尔信号中断捕获模块用来读取3个霍尔信号的状态，目的是确定逆变器的换相顺序。电机在运行状态时，读取捕获端口的状态，即可方便的知道电机所处的状态；但是电机停止时，就得通过在电机启动模块的软件上实现先让电机启动来产生捕获中断。在软件设计，设置T1寄存器来起动定时器，设置CAP1、CAP2、CAP3引脚为T0功能，查询霍尔输入信号得到电机转子的位置就确定了功率管的导通状态。当电机转动一定的角度时，霍尔信号相应的发生改变，通过恢复捕获口CAP1、CAP2、CAP3为捕获功能引发一个捕获中断，在中断程序中又会根据当前霍尔信号的状态改变PWM引脚的状态，使电机持续旋转起来，实现电机的起动。其流程图为图4。

4．2 霍尔信号中断模块
    霍尔传感器位置信号随着电机转子的转动而发生改变，控制器的捕获单元在霍尔信号输入引脚上捕获到跳变沿信号，相应的中断标志CAPXX1-NT被置位，该中断向量的偏移地址被写入到对应的事件中断向量寄存器中，同时中断标志寄存器IMR中的INT4位由硬件置1，对应于DSP控制器的内核中断INT4，进入到DSP内核中断INT4的服务子程序。进入INT4服务子程序后，先将DSP控制器状态寄存器ST0、ST1和累加器ACC压入堆栈，保护现场，再将相应事件中断向量寄存器的中断向量偏移地址送入到累加器，然后经分支跳转指令转入到捕获中断服务子程序的入口上，进入捕获中断服务子程序后，记下每两次CAP中断的时间间隔△T。
    通过设置CAP1、CAP2、CAP3为IO功能查询捕获单元位置信号的输入引脚获得转子位置信号，根据此信号值查表计算换相程序偏移向量，调用相应的换相PWM子程序，从而通过改变PWM方式控制器ACTRA的值来控制PWM输出信号的改变，实现电动机的换相，然后恢复CAP1、CAP2、CAP3的捕捉功能，并将计数器清零，最后CPU将状态寄存器ST0，ST1及累加器ACC弹出堆栈，并推出INT4内核中断，结束捕获中断服务子程序(图5)。

4．3 逻辑换相模块
    根据三相霍尔信号，以及无刷直流电机速度控制模块输出的PWM信号，逻辑换相模块输出6个电机换相及速度控制脉冲。有三相霍尔位置信号(H0、H1、H2)和由控制器模块输出的PWM信号这四个信号。定义Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6为六个输出信号，控制三相逆变器功率管的通断，Q1、Q3、Q5用于控制上侧功率管的通断，Q2、Q4、Q6用于控制下侧功率管的通断，逻辑关系为：
   
    通过读取霍尔位置中断捕捉模块中的霍尔信号获取电机转子位置信号，确定逆变器功率管的开关状态。霍尔传感器的输出信号经过控制电路的逻辑处理，才能实现无刷直流电动机电枢绕组正确换相。对该系统软件正确编制决定了无刷直流电动机绕组电流的正确换相。电机绕组电流的换相时刻是由转子磁极位置确定的，位置传感器编码结果与功率变换器的开关管导通顺序一一对应。

5 结束语
    文中介绍了电动汽车的一种新型驱动无刷直流电动机，重点介绍霍尔传感器作为位置传感器在无刷直流电机中的应用原理和相位测试方法，输入的转子霍尔位置信号和反馈电流信号对电机进行换相，实现PWM脉宽调制，达到对电机进行速度控制的目的。无刷直流电动机在启动时需要位置信号；位置信号还可以用于产生速度控制量；为了保证得到恒定的最大转矩，就必须不断地对三相无刷直流电动机进行换相，因此对于相位的测试具有重要的意义。