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        基于R5F212L4 的無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計

        2013-11-22 07:51:30鐘名宏杜澤華
        微特電機 2013年9期
        關(guān)鍵詞:信號系統(tǒng)

        吳 軍,鐘名宏,杜澤華

        (江西理工大學(xué),江西贛州341000)

        0 引 言

        無刷直流電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、調(diào)速和起動特性好、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點,在工業(yè)控制、醫(yī)療器械及家電等方向應(yīng)用越來越廣泛。無刷直流電動機系統(tǒng)包括電機本體、位置傳感器、電子開關(guān)電路[1]。應(yīng)用中有無位置傳感器和有位置傳感器兩種系統(tǒng)之分,兩者有各自的優(yōu)缺點,實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合場合選取合適方案。FCM8202 是一款硬件實現(xiàn)無刷直流電動機SVPWM 驅(qū)動的芯片,性能穩(wěn)定、通用性強、噪聲小、效率高、實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點。針對該FCM8202 價格高的缺點,提出一種基于瑞薩R5F212L4 的無刷直流電動機SVPWM 驅(qū)動系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備其優(yōu)點的同時,也大大降低了成本,還具有實現(xiàn)簡便、計算量小,方便添加其他功能模塊多種優(yōu)點。

        系統(tǒng)使用方波型無刷直流電動機,文中沒有特別聲明時,出現(xiàn)的角度為電角度,周期為電周期。

        1 系統(tǒng)控制策略及硬件實現(xiàn)

        系統(tǒng)使用有霍爾傳感器電機,設(shè)計方案為三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),即速度閉環(huán)和正弦波相位閉環(huán)。閉環(huán)一、根據(jù)霍爾周期計算瞬時轉(zhuǎn)動速度,與速度參考值比較得到速度誤差信號,經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)控制器,輸出控制增大或減小占空比;閉環(huán)二、轉(zhuǎn)子每60°更新霍爾信號時,軟件實施強制矯正,輸出正弦波電壓相位,使電壓相位與轉(zhuǎn)子位置相對應(yīng);閉環(huán)三,通過對三相電路的某相(本文取A 相)下管電流檢測,獲得其上升沿過零點,結(jié)合計時器計算此時角度,如果滯后反電動勢相位,則使輸入電壓超前一個單位,使電流相位與反電動勢的相位差不斷減小,直至為零,此時電機運行于穩(wěn)態(tài)。通過以上方法實現(xiàn)電機穩(wěn)定運行,調(diào)速平滑。方案設(shè)計的硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中的α 是離散的角度時刻。系統(tǒng)主控芯片采用R5F212L4,內(nèi)置閃存,最高工作頻率20 MHz,定時器RD 多通道PWM 輸出簡化了電機控制過程。同時具有豐富的I/O 端口,9 通道AD,多個外部中斷引腳。具有較大的價格及性能優(yōu)勢。

        圖1 基于R5F212L 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)采用集成CMOS 管實現(xiàn)變頻器,應(yīng)用IR2012 的6 個輸出端口直接驅(qū)動6 個CMOS 柵極。系統(tǒng)驅(qū)動電流與反電動勢相位差大小直接影響電機轉(zhuǎn)矩輸出,當此相位差為零時,此時電流相對轉(zhuǎn)子磁場相位相差90°電角度,使得電機轉(zhuǎn)矩最大。正弦波電流過零檢測是為了校正對不同參數(shù)電機進行電壓相位自適應(yīng)超前,鎖定電流與反電動勢相位差為零。系統(tǒng)驅(qū)動電路及電流過零檢測電路如圖2 所示。

        圖2 系統(tǒng)驅(qū)動電路及A 相電流過零檢測

        2 霍爾元件安裝及轉(zhuǎn)子位置估計原理

        轉(zhuǎn)子位置是電機運行的重要參數(shù)之一,若轉(zhuǎn)子位置檢測不準確,轉(zhuǎn)子估算偏差較大,都會直接影響控制,導(dǎo)致控制不正常或者燒毀電機。

        在電機內(nèi)部相距120°安裝3 個霍爾開關(guān)傳感器,當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,霍爾元件就會輸出一個上升沿和下降沿與轉(zhuǎn)子磁場強度B 的過零點相對應(yīng)的方波信號[2]。霍爾信號的輸出應(yīng)與某相繞組的空載反電動勢同相位[3]。電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子角度取決于該信號,若安裝傳感器時偏離理想位置就會給系統(tǒng)帶來很大的誤差,會給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性因素。

        設(shè)定子三繞組對應(yīng)霍爾信號分別為Hu、Hv及Hw,其值“1”表示霍爾信號為高電平,“0”為低電平。本文中電機產(chǎn)生的霍爾信號與轉(zhuǎn)子位置在程序中對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

        表1 霍爾信號與轉(zhuǎn)子角度對應(yīng)關(guān)系

        電機運行的電周期采用如圖3 所示方法計算,其中T 為霍爾周期。

        圖3 減小霍爾安裝誤差的轉(zhuǎn)動周期計算

        圖中最上豎線表示霍爾傳感器上升沿和下降沿信號,間隔為60°電角度。每過60°電角度強制矯正運行角度。如下:

        式中:ω 為轉(zhuǎn)子角速度,T 為轉(zhuǎn)子周期,θ 為正弦相位角度,α 為轉(zhuǎn)子對應(yīng)扇區(qū)起點,TPWM為程序中PWM信號周期,n 為第幾個PWM 周期。其中ω、T 及α每60°角度更新,θ 及n 每PWM 周期更新。

        3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

        控制軟件主要有系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子速度和位置計算模塊、相位校正模塊、SVPWM 波形輸出模塊、系統(tǒng)故障顯示及保護模塊組成。

        3.1 電流與反電動勢相位關(guān)系及相位校正

        電機A 相等效電路模型如圖4 所示,電壓與電流關(guān)系如下:

        圖4 A 相等效電路模型

        可以看出電壓與電流有相位差存在。由于電機參數(shù)不同,導(dǎo)致電壓與電流相位差不是固定值。電機控制中期望使電流與反電動勢相位差為零,并且電流相位恒定在超前轉(zhuǎn)子角度90°,使其在高效率下工作。相位校正前后電壓、電流及反電動勢對應(yīng)轉(zhuǎn)子角度波形如圖5 所示。

        圖5 電壓電流及反電動勢對應(yīng)轉(zhuǎn)子角度波形

        圖中,a 為霍爾信號,b 為相反電動勢,c1和c2為不同相位相電壓,d1和d2為不同相位電壓對應(yīng)的相電流,Δθ 為相電流與相反電動勢相位差,As為相電壓與相電流相位差。

        通過調(diào)整相電壓相位使Δθ 趨于零,使電流與相反電動勢同相,鎖定此時的相位偏移即達到相位校正目的。程序流程圖如圖6 所示。

        圖6 相位校正程序流程圖

        其中,一個霍爾周期計時一次,即θ 校正一次,θ為轉(zhuǎn)子位置角,d 為相位校正步距(圖6 中校正步距為1°)。

        3.2 SVPWM 輸出設(shè)計

        為了減小電子開關(guān)頻率,提高其使用壽命,F(xiàn)CM8202 中采用了上管不導(dǎo)通時下管常開策略。同時為提高電能利用率,加入三次諧波,產(chǎn)生相電壓波形如圖5 中相電壓。SVPWM 輸出是定時獲取轉(zhuǎn)子角度,通過查表輸出對應(yīng)角度的三相電壓值,程序流程如圖7 所示。

        圖7 中斷程序?qū)崿F(xiàn)正弦波調(diào)制

        圖中,θ 為轉(zhuǎn)子位置角,T0為,Tu、Tv、Tw為三相上管的導(dǎo)通占空比,TPWM為PWM 周期,Kmax為正弦表的幅值。

        4 結(jié) 語

        為了驗證本文驅(qū)動系統(tǒng)的自適應(yīng)性,實驗中使用霍爾傳感器無刷直流電動機,定子繞組為三相星形連接,磁極對數(shù)為2,相感抗為0.05 mH,相阻抗為350 mΩ,最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min,24 V 給電機供電。在3 000 r/min 時,最大容許電流為3.5 A,轉(zhuǎn)矩常數(shù)為10.8 N·m/A。當占空比為98% 空載時,轉(zhuǎn)速3 000 r/min,電流為450 mA,在300 r/min 時,電流為90 mA,電機運行平穩(wěn),電流較小,振動噪聲小,實現(xiàn)無級調(diào)速。

        本文SVPWM 驅(qū)動系統(tǒng)有如下優(yōu)點:

        (1)通過軟件設(shè)計進行相位校正后,解決了由電流與轉(zhuǎn)子相位差不固定在90°所帶來的電源低效率、電機大電流運行發(fā)熱等問題,使電機運行于最大轉(zhuǎn)矩、最小電流環(huán)境下,達到高效率運行。

        (2)電機系統(tǒng)起動平穩(wěn),運行時無振動和失步現(xiàn)象,同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,運行可靠,正反轉(zhuǎn)調(diào)速性能良好的優(yōu)點。該方法計算量小,對MCU 的要求低,在低直流母線電壓的中小功率應(yīng)用場合具有技術(shù)優(yōu)勢。

        (3)系統(tǒng)實現(xiàn)簡便,計算量小,可以方便地添加其他功能模塊,增強系統(tǒng)的可擴展性。

        [1] 張?。绷鳠o刷電動機原理及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

        [2] Capponi F G,De Donato G,Del Ferraro L.AC brushless drive with low resolution Hall-effect sensors for an axial flux PM machine.[C]/ /39th Industry Applications Conference Annual Meeting.2004,4:2382-2389.

        [3] 鄒繼斌,徐永向,于成龍,等.正弦波無刷直流電機的新型轉(zhuǎn)子位置檢測方法[J].中國電機工程學(xué)報,2002,22(12):47-49,55.

        [4] 曾風平,鄭成勇,章躍進,等.基于開關(guān)型霍爾位置傳感器的永磁同步電動機正弦波驅(qū)動[J].微特電機,2010,38(8):56 -58,71.

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