基于控制專用單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制器

1、基于控制專用單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制器1 概述 無位置傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器采用的位置檢測(cè)方法是反電勢(shì)3次諧波檢測(cè)法，其輸入 到控制器的有2路信號(hào)，1路為A相反電勢(shì)過零信號(hào)，1路為轉(zhuǎn)子磁通3次諧波的過零信號(hào)，利 用這2路信號(hào)控制永磁同步電機(jī)運(yùn)行于自同步工作狀態(tài)。所以這一控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的反 電勢(shì)基波法（也叫端電壓法）采用3路反電勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)的控制系統(tǒng)。由于3次諧波檢測(cè)法相當(dāng)靈敏，而且在信號(hào)處理中無需經(jīng)過衰減率極大的低通濾波器，使得3次諧波檢測(cè)在較低的轉(zhuǎn)速下就可以正確檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的位置。由于3次諧波信號(hào)的處理可以采 用在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定的90°積分器電路，所以檢測(cè)精度高，這

2、帶來的直接效果就 是電機(jī)的運(yùn)行效率高，輸出轉(zhuǎn)矩大，因此，本文研究一種適合于3次諧波檢測(cè)法的控制器。 2 控制器的各組成電路無刷直流電機(jī)控制器的任務(wù)是完成位置閉環(huán)、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以及起動(dòng)控制。位置閉環(huán)是為了 使電機(jī)運(yùn)行于自同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)則是為了調(diào)速。由于3次諧波檢測(cè)法同樣也無法檢測(cè)零 速下電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，所以同樣也需要比較復(fù)雜的起動(dòng)控制。2.1 位置閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)在本控制器中采用中斷方式完成位置閉環(huán)，在控制器的控制程序中預(yù)先編制三相6拍對(duì)應(yīng)的 三相同步信號(hào)序列，3次諧波每一次跳變引發(fā)1次中斷，控制器輸出下一個(gè)同步信號(hào)序列。A 相反電勢(shì)每一次上跳沿引發(fā)1次中斷，使控制器指向第一個(gè)同步信號(hào)序列。位置閉

3、環(huán)的實(shí)現(xiàn)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(jī)輸 出的三 相同步信號(hào)譯碼成逆變6個(gè)功率器件的導(dǎo)通信號(hào)，其功能與傳統(tǒng)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GAL16V8可編程邏輯器件來完成的。無刷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，3次諧波位置信號(hào)每一次跳變對(duì)應(yīng)著一個(gè)換相時(shí)刻，而能引起微機(jī)產(chǎn)生1 次外部中斷的只能是外部信號(hào)發(fā)生1次上跳沿，所以這就需要1個(gè)沿脈沖生成電路，把輸入的 3次諧波信號(hào)上跳沿和下跳沿都轉(zhuǎn)化成具有上跳沿的窄脈寬。使用2個(gè)上升沿單穩(wěn)觸發(fā)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(wěn)觸發(fā)器的RC延時(shí)網(wǎng)絡(luò)決定。這個(gè)脈寬要求不能大于最高轉(zhuǎn)速時(shí)3次

4、諧波位置信號(hào)的脈寬，否則在最大轉(zhuǎn)速時(shí)每一 個(gè)周期將會(huì)漏掉1次換相時(shí)刻，這將會(huì)使電機(jī)運(yùn)行于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。2.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)包括轉(zhuǎn)速的測(cè)定、控制量的設(shè)定及PWM波占空比的調(diào)節(jié)。因?yàn)?次諧波位置信號(hào)頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，對(duì)于P=2的電機(jī)，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)1圈，3次 諧波 信號(hào)發(fā)生12次跳變。所以轉(zhuǎn)速的測(cè)定可能通過測(cè)定3次諧波信號(hào)。由于3次諧波頻率比較低 ，采用測(cè)頻法測(cè)轉(zhuǎn)速，若想在較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么測(cè)得的轉(zhuǎn)速誤差太大。所以本控制器采用測(cè)周法。由于80C196KB帶有高速輸入口，輸入信號(hào)的每一次跳變發(fā)生時(shí)刻將被高速輸入口記錄下來， 這為測(cè)周法的實(shí)現(xiàn)提供了極大的方便。3次諧

5、波信號(hào)通過HSI.1輸入到單片機(jī)中，設(shè)定高速輸 入口為記錄每一次跳變的工作方式，并設(shè)定FIFO為保持寄存器有效中斷方式，即每發(fā)生一個(gè) 事件響應(yīng)1次中斷，在中斷處理程序中計(jì)算2次事件的時(shí)間差，從而計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂屏康脑O(shè)定包括轉(zhuǎn)速給定值、啟動(dòng)負(fù)載設(shè)定值、正反轉(zhuǎn)開關(guān)以及啟停開關(guān)等。其中轉(zhuǎn)速給 定值和啟動(dòng)負(fù)載設(shè)定值可以通過Philips遙控器以及紅外接收頭來完成數(shù)字設(shè)定，紅外接收 頭的輸入信號(hào)可接到單片機(jī)的高速輸入口，在FIFO中斷處理程序中識(shí)別遙控器輸入的鍵值， 并根據(jù)鍵值設(shè)定輸入值，也可以采用電位器模擬給定，由80C196KB的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。正 反轉(zhuǎn)開關(guān)以及啟停開關(guān)只需要普通的開頭形成

6、電平信號(hào)從P1口輸入到單片機(jī)中，在控制器主 程序循環(huán)中，不斷查詢開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)不同的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的處理。80C196KB內(nèi)含一個(gè)8位PWM通道，無須再擴(kuò)展，此PWM通道在12M晶振下，輸出的PWM頻率可達(dá)2 3.6kHz，超出了音頻范圍，不會(huì)給系統(tǒng)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(dāng)可靠、方便。唯一不足的一點(diǎn)是其占空比分辨率只有8位，即1/256（0.39% ），對(duì)于要求調(diào)速精度較高的場(chǎng)合，需要外加高辨率的PWM波發(fā)生器。2.3 起動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)在基于3次諧波檢測(cè)法控制系統(tǒng)中，同樣也可以采用端電壓法控制系統(tǒng)所采用的3段式起動(dòng)方 法，即整個(gè)起動(dòng)過程分為轉(zhuǎn)子定位

7、、加速和切換3個(gè)階段。對(duì)于3次諧波檢測(cè)法端電壓法，其檢測(cè)的靈敏度大大提高。3次諧波檢測(cè)法的高靈敏度使得電機(jī)的起動(dòng)無須像端電壓法那 樣復(fù)雜，電機(jī)一開始只輸入輸出一個(gè)定位信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位，然后輸出下一個(gè)信號(hào)序列，使定子磁場(chǎng)向前跳進(jìn)60°，這時(shí)電機(jī)由定位位置轉(zhuǎn)到下一個(gè)位置的過程中，3次諧波信號(hào)已經(jīng)有效，并向微機(jī)發(fā)出1次換相中斷，使得電樞磁場(chǎng)再向前跳進(jìn)60°，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下向前旋轉(zhuǎn)，到達(dá)換相位置時(shí)，由3次諧波檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)向微機(jī)發(fā)出1次換相中斷，使電樞又向前跳進(jìn)，如此循環(huán)，可能使電機(jī)逐漸運(yùn)行至穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)證明，這種簡(jiǎn)化的起動(dòng)方法完全可行。3 控制系統(tǒng)原理圖由于80C

8、196KB強(qiáng)大的功能，使得以往必須采用外圍擴(kuò)展硬件電路完成的功能，比如相位差檢 測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)向控制電路、PWM波生成電路等，現(xiàn)在都可以利用80C196KB本身所 帶的硬件設(shè)備或控制軟件來完成，使CPU外圍電路大大簡(jiǎn)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(jù)以上所分析的各功能實(shí)現(xiàn)電路以及實(shí)現(xiàn)辦法，可以構(gòu)出如圖2 所示的控制系統(tǒng)原理圖。在本系統(tǒng)中，80C196KB的P3、P4口用于作系統(tǒng)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(zhuǎn)換以及輸入口。 4 控制軟件的實(shí)現(xiàn)主程序主要任務(wù)是初始化各變量及標(biāo)志的值，設(shè)置CPU各設(shè)備的控制字，初始化各端 口狀態(tài)及開啟相應(yīng)的中斷，并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其流程如圖3所示。HSI FIFO保持寄存器有效中斷主要任務(wù)有兩個(gè)，一個(gè)是在同步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，檢測(cè) 同步信號(hào) 與位置信號(hào)的相位差，當(dāng)相位差滿足規(guī)定的條件后，負(fù)責(zé)切換成無刷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。另一個(gè)任 務(wù)是在切換成無刷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)后，還承擔(dān)測(cè)周法檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的任務(wù)。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本文對(duì)250W的樣機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制實(shí)驗(yàn)，圖4是電機(jī)轉(zhuǎn)速給定量分別為1 500r/mi