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基于控制專用單片機的無刷直流電機控制器

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:346

摘要:介紹一種采用反電勢3次諧波檢測法無刷直流電機控制系統的構成,各組成電路的功能及實現,控制系統原理及控制軟件的實現。

1  概  述

   無位置傳感器無刷直流電動機控制器采用的位置檢測方法是反電勢3次諧波檢測法,其輸入到控制器的有2路信號,1路為A相反電勢過零信號,1路為轉子磁通3次諧波的過零信號,利用這2路信號控制永磁同步電機運行于自同步工作狀態。所以這一控制系統有別于傳統的反電勢基波法(也叫端電壓法)采用3路反電勢過零點信號的控制系統。

   由于3次諧波檢測法相當靈敏,而且在信號處理中無需經過衰減率極大的低通濾波器,使得3次諧波檢測在較低的轉速下就可以正確檢測出轉子的位置。由于3次諧波信號的處理可以采用在整個頻率范圍內都保持穩定的90。積分器電路,所以檢測精度高,這帶來的直接效果就是電機的運行效率高,輸出轉矩大,因此,本文研究一種適合于3次諧波檢測法的控制器。

2控制器的各組成電路

   無刷直流電機控制器的任務是完成位置閉環、轉速閉環控制以及起動控制。位置閉環是為了使電機運行于自同步狀態,轉速閉環則是為了調速。由于3次諧波檢測法同樣也無法檢測零速下電機轉子的位置,所以同樣也需要比較復雜的起動控制。

2.1位置閉環的實現

   在本控制器中采用中斷方式完成位置閉環,在控制器的控制程序中預先編制三相6拍對應的三相同步信號序列,3次諧波每一次跳變引發1次中斷,控制器輸出下一個同步信號序列。A相反電勢每一次上跳沿引發1次中斷,使控制器指向第一個同步信號序列。

  位置閉環的實現主要由譯碼電路、3次諧波沿脈沖生成電路。譯碼器電路是把微機輸出的三相同步號譯碼成逆變6個功率器件的導通信號,其功能與傳統端電壓法采用的譯碼器功能一樣。本文所研究的控制器是采用GALl6V8可編程邏輯器件來完成的。

   無刷機運行狀態時,3次諧波位置信號每一次跳變對應著一個換相時刻,而能引起微機產生1次外部中斷的只能是外部信號發生1次上跳沿,所以這就需要1個沿脈沖生成電路,把輸入的3次諧波信號上跳沿和下跳沿都轉化成具有上跳沿的窄脈寬。使用2個上升沿單穩觸發器可能完成這樣的功能。沿脈沖生成電路如圖1所示,其中脈沖的寬度由單穩觸發器的RC延時網絡決定。這個脈寬要求不能大于最高轉速時3次諧波位置信號的脈寬,否則在最大轉速時每一個周期將會漏掉1次換相時刻,這將會使電機運行于一種不穩定的狀態。

2.2轉速閉環的實現

   轉速閉環的實現包括轉速的測定、控制量的設定及PWM波占空比的調節。

   因為3次諧波位置信號頻率與電機的轉速成正比,對于P=2的電機,轉子每旋轉1圈,3次諧波信號發生12次跳變。所以轉速的測定可能通過測定3次諧波信號。由于3次諧波頻率比較低,采用測頻法測轉速,若想在較短的時間內測出電機的轉速,那么測得的轉速誤差太大。所以本控制器采用測周法。

  圖1沿脈沖生成電路  

由于80C196KB帶有高速輸入口,輸入信號的每一次跳變發生時刻將被高速輸入口記錄下來,這為測周法的實現提供了極大的方便。3次諧波信號通過HSI.1輸入到單片機中,設定高速輸入口為記錄每一次跳變的工作方式,并設定FIFO為保持寄存器有效中斷方式,即每發生一個事件響應1次中斷,在中斷處理程序中計算2次事件的時間差,從而計算出電機的轉速。

   控制量的設定包括轉速給定值、啟動負載設定值、正反轉開關以及啟停開關等。其中轉速給定值和啟動負載設定值可以通過Philips遙控器以及紅外接收頭來完成數字設定,紅外接收頭的輸入信號可接到單片機的高速輸入口,在FIFO中斷處理程序中識別遙控器輸入的鍵值,并根據鍵值設定輸入值,也可以采用電位器模擬給定,由80C196KB的A/D轉換成數字量。正反轉開關以及啟停開關只需要普通的開頭形成電平信號從P1口輸入到單片機中,在控制器主程序循環中,不斷查詢開關狀態,根據不同的開關狀態進行相應的處理。

   80C196KB內含一個8位PWM通道,無須再擴展,此PWM通道在12M晶振下,輸出的PWM頻率可達23.6kHz,超出了音頻范圍,不會給系統帶來噪聲。要改變PWM占空比只需改變PWM占空比寄存器,使用起來相當可靠、方便。唯一不足的一點是其占空比分辨率只有8位,即1/256(0.39%),對于要求調速精度較高的場合,需要外加高辨率的PWM波發生器。

2.3起動控制的實現

   在基于3次諧波檢測法控制系統中,同樣也可以采用端電壓法控制系統所采用的3段式起動方法,即整個起動過程分為轉子定位、加速和切換3個階段。對于3次諧波檢測法端電壓法,其檢測的靈敏度大大提高。3次諧波檢測法的高靈敏度使得電機的起動無須像端電壓法那樣復雜,電機一開始只入輸出一個定位信號進行轉子定位,然后輸出下一個信號序列,使定子磁場向前跳進60。,這時電機由定位位置轉到下一個位置的過程中,3次諧波信號已經有效,并向微機發出1次換相中斷,使得電樞磁場再向前跳進60。,轉子在電磁轉矩的作用下向前旋轉,到達換相位置時,由3次諧波檢測出的轉子位置信號向微機發出1次換相中斷,使電樞又向前跳進,如此循環,可能使電機逐漸運行至穩定狀態。實驗證明,這種簡化的起動方法完全可行。

3控制系統原理圖

由于80C196KB強大的功能,使得以往必須采用外圍擴展硬件電路完成的功能,比如相位差檢測電路、A/D轉換電路、轉向控制電路、PWM波生成電路等,現在都可以利用80C196KB本身所帶的硬件設備或控制軟件來完成,使CPU外圍電路大大簡化,減少元器件相互之間的電磁干擾,可靠性也大大提高。根據以上所分析的各功能實現電路以及實現辦法,可以構出如圖2所示的控制系統原理圖。

 圖2控制系統原理圖

在本系統中,80C196KB的P3、P4口用于作系統總線,P2口用于作為特殊功能口,P1口作為IO口,P0口用于作A/D轉換以及輸入口。

4控制軟件的實現

主程序主要任務是初始化各變量及標志的值,設置CPU各設備的控制字,初始化各端口狀態及開啟相應的中斷,并調節電機的轉速。其流程如圖3所示。

 圖3主程序流程圖

HSI FIFO保持寄存器有效中斷主要任務有兩個,一個是在同步機運行狀態時,檢測同步信號與位置信號的相位差,當相位差滿足規定的條件后:負責切換成無刷機運行狀態。另一個任務是在切換成無刷機運行狀態后,還承擔測周法檢測電機轉速的任務。

5  實驗結果

本文對250W的樣機進行了轉速負反饋控制實驗,圖4是電機轉速給定量分別為1 500r/mm和2 500 r/min時,負載從空載至額定負載變化時的穩態轉速。實驗結果表明,系統可以可靠地工作。電機轉速的穩態誤差小于32r/rain,產生這一誤差的主要原因是由于PWM發生器占空比分辨率只有8位。本文設計的控制系統,如果用于壓縮機電機等場合,其性能已滿足要求。

 圖4轉速負反饋機械特性

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