无刷直流电机电流测量的探究

杨晨娜

（西安职业技术学院，陕西西安,710032）

无刷直流电机电流测量的探究

杨晨娜

（西安职业技术学院，陕西西安,710032）

近几年，无刷直流电机在工业控制领域的应用越来越广泛，而有效的电流测量是控制方法实现的前提，也是提高控制性能的基础。本文基于TMS320LF2407ADSP控制器，对无刷直流电机电流进行采样，并利用二阶巴特沃思低通滤波器进行滤波，得到较为平滑的电流，到达有效控制电机的目的。

无刷直流电机；电流；二阶巴特沃思低通滤波器

0 引言

无刷直流电机采用电子换向取代机械换向，具有交流电机结构简单、运行平稳、噪音小、维护方便等优点；同时具有直流电机线性机械特性、调速特性以及优良的控制性能；另外它损耗小、容量大、体积小、干扰小、寿命长等一系列优点。因此无刷直流电机的这种高性能系统将在工业自动化领域的运动控制中将扮演越来越重要的角色，但它的控制方法还不是很完善，现有的各种控制方法存在一些缺陷。本文对电流测量方面进行了研究。

1 DSP处理器

TMS320LF2407A芯片作为DSP控制器TMS320LF240X系列的新成员，是TMS320C2000TM平台下的一种定点DSP芯片。该芯片将电机控制所必需的外围电路(如A/D转换器、位置/速度检测倍频计数器、PWM发生器等)与DSP内核集成于一体，是业界非常具有竞争力的数字电机控制器之一。并具有以下一些特点：供电电压仅为3.3V，两个事情管理器模块EVA和EVB， 8个16位的脉宽调制（PWM）通道，10A/D转换器等等。利用TMS320LF2407A的这些特点，可以实现伺服驱动系统的功能有：使用SCI模块接收上层主机发出的参考输入和控制命令、响应上层主机的查询命令并反馈信息；使用AD模块对流经电机的电流进行采样和计算；使用QEP电路连接光电编码器获得电机的位置和速率等信息；控制算法的实施并将结果转化为PWM信号的输出；故障检测和保护；CAN控制器模块实现对系统的监控。

当采用DSP构成全数字伺服系统时，其所有控制功能可以由软件实现，故有利于提高系统的可靠性，降低系统的成本，并且可以采用先进的现代控制策略，获得更高的控制性能，完成数据存储、故障诊断、故障冗余等功能，使伺服系统更趋于智能化。

2 电流采样电路

电流的获取采用单电流采样，电路如图1所示，主要由运算放大电路和隔离电路组成。两级电路均采用最常用的LM324芯片，此芯片只需要单电源供电，供电电压可以从3V～32V，这样在给电路提供电源时带来方便，而且性能稳定，电路简单。第一级为放大电路，电压信号从同相端输入，在1端口输出，输出端口和反相输入端由电阻R5连接，引入负反馈，运算放大器工作在线性区，所放大的倍数为（1＋R5/R4）。第二级为电压跟随器，起到隔离和匹配的作用，它也是同相输入，由于同相输入阻抗无穷大，在此采用R6电阻进行匹配。由于DSP所输入的最大电压为3.3V，

因此可以根据此电压结合电机额定电流、采样电阻设置相应的放大倍数。

图1 采样电阻与DSP的A/D连接电路

3 电流测量及数字滤波

利用TMS320LF2407A内部两组独立的10位模拟/数字转换器ADC，将输入的模拟电压信号转换为数字数据。在AD转换过程中，以参考电压为基准电源，于10位A/D转换时形成1024位的电压准位。且其转换时间最少需要375ns。但是对于2407来说，快速的转换时间(S/H+转换)最快为500ns。

使用ADC模块，可以完全满足对流经电机的电流进行A/D转换的要求。电流的测量值为相应通道的ADC转换结果的高10位。

为了提高采样结果的分辨率，可以对同一个通道进行多次采样，即对该通道实行“过采样”。另一方面，为了避免信号干扰的影响，减少不必要的电流调节过程，在电流闭环中引入了数字滤波器。使用DSP实现数字滤波器除具有精确度高、稳定性好等特点外，还具有灵活性好、不受环境影响等优点。

3.1 数字滤波器选择

对于数字滤波器，根据实现方法进行分类，可分为无限脉冲响应（Infinite Impulse Response, IIR）滤波器和有限脉冲响应（Finite Impulse Response, FIR）滤波器之分。IIR数字滤波器的转移函数是：

FIR数字滤波器的转移函数是：

这两类滤波器不管在设计方法上还是性能方面都有很大的区别。其中，采用IIR滤波器达到预期效果只需要较低的阶数，但是它是一种递归形式，由于计算精度的原因在定点DSP上实现有可能会出现振荡现象；而采用FIR滤波器就不会出现这一情况，它是一种非递归形式，总是稳定的，且具有严格的线性相移，在DSP上实现非常容易，它的缺点就是需要较大的存储空间和较复杂的运算。

在本文的研究中，考虑到使用最低阶次达到预期效果，而且算法不能太复杂，占用的存储空间应该比较小，选用了IIR滤波器。通过几种数字滤波器滤波效果的实验比较，选择了二阶巴特沃思低通滤波器用于对电流测量值的滤波。

3.2 滤波器系数的确定

在选择的数字滤波器中需要确定的参数有br和ak，只有选择到合适的参数值才能得到最好的滤波效果。在调试过程中，参数的整定是一个比较复杂和繁琐的过程。为了简化设计过程，减少工作量，在这里使用MATLAB进行参数设计。

MATLAB的信号处理工具箱中提供了各种滤波器的设计函数。对于低通数字巴特沃思滤波器，调用格式为：

3.3 滤波器使用效果

电流环的采样频率是10kHz，从电流采样波形上可以看出，截止频率是250Hz。在MATLAB中调用式(3)可以得到：

在DSP中使用Q5格式表示浮点小数，从而可以实现运用MATLAB运算得出的系数在定点DSP中进行数字滤波运算。

4 实验

本文中使用的Maxon无刷直流电机装有一个减速比为49：4的行星齿轮减速箱，其型号为203115。额定电流5.24A，相间电阻0.518Ω，相间电感0.132mH，转矩常数24.6mNm/A，速度常数389rpm/V，机械时间常数7.3ms，转子惯量85gcm2。在给定速度为1000rpm的阶跃响应情况下，当电机达到平稳时使用数字滤波器前后得到的电流采样结果如图2和图3所示。图2为使用滤波器前的电流响应情况，图3为使用滤波器后的电流响应情况。

从图中可以看出使用数字滤波器后能很好的滤除电流干扰量，达到平滑电流的效果，使电机的运转更平稳，达到更为有效的控制。

图2 滤波前电流曲线

图3 滤波后电流曲线

[1] 任志斌.电动机的DSP控制技术与实践[M].北京:中国电力出版社,2012.6

[2] 王晓明.电动机的DSP控制:TI公司DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2009.9

[3] 桑国明,刘智.数字滤波器的DSP实现[J].大连大学学报,2001.8,第22卷第四期.

[4] 泰勒.数字滤波器原理及应用(借助MATLAB)[M].北京:国防工业出版社,2013.7

[5] 卢光跃.数字信号处理及应用[M].北京:人民邮电出版社,2012.6

[6] 穆尔.MATLAB实用教程[M].北京:电子工业出版社,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