趙波，李玉美，王曉明

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001)

?

趙波，李玉美，王曉明

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001)

本文以PIC16F1508單片機(jī)為控制核心，利用其PWM模塊、CLC模塊、TMR1模塊的組合進(jìn)行脈寬調(diào)制和速度檢測(cè)，使用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)功率芯片F(xiàn)CAS20DN60BB作為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的伺服控制。本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了外部邏輯器件的使用，并且提高了系統(tǒng)的可靠性、大大降低了系統(tǒng)的成本。通過(guò)使用370W、四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為控制對(duì)象，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);PIC16F1508;CLC;PWM

引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,SRM)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大以及調(diào)速范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、家用電器、機(jī)械及電動(dòng)車(chē)輛等領(lǐng)域[1]。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)研究，一直是機(jī)電一體化領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文以PIC16F1508單片機(jī)為控制核心，與專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)功率芯片結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款可靠性高、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

1 SR電機(jī)伺服控制系統(tǒng)組成

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行遵循“磁阻最小原則”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，從而迫使磁路上的導(dǎo)磁體運(yùn)動(dòng)到使磁阻最小的位置為止。以四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為例，定子上有A、B、C、D四相繞組，按照既定順序依次給四相通電，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行在連續(xù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)主要由控制器、功率變換器、位置檢測(cè)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)4部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該伺服控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括控制器(PIC16F1508)、功率變換器電路、換相控制電路、速度檢測(cè)電路、鍵盤(pán)顯示電路等，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制器

控制器選用Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)PIC16F1508，它具有高性能的RISC CPU、豐富的外設(shè)特性，并且具有XLP超低功耗管理功能。選擇PIC16F1508單片機(jī)主要考慮的是使用其4個(gè)可配置邏輯單元CLC。Microchip公司創(chuàng)新性地把電路中可能用到的邏輯功能集成到單片機(jī)的內(nèi)部，即可編程邏輯單元CLC。這個(gè)模塊可以提供可超越軟件執(zhí)行速度限制而工作的可編程邏輯[2]，大大地簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性，并且由于外部邏輯器件的減少，系統(tǒng)的可靠性得到了一定程度的提高。

目前在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，控制外部開(kāi)關(guān)管工作時(shí)，總是由內(nèi)部發(fā)出一路波形，外部通過(guò)簡(jiǎn)單的邏輯器件進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生可以控制開(kāi)關(guān)管工作的4路或者多路波形，而通過(guò)使用PIC16F1508單片機(jī)就可減少這些外部邏輯器件的使用。外部電路連接如圖2所示，RC3、RC6作為CLC2、CLC3的輸入信號(hào)，僅需要把RC2、RC3、RC6連接起來(lái)，由RC2輸出信號(hào)，并與CLC2、CLC3的另一路輸入信號(hào)PWM4OUT進(jìn)行邏輯運(yùn)算，就可以產(chǎn)生輸入到功率變換器的所需波形。

2.2 功率變換器

圖3 FCAS20DN60BB的外圍電路

功率變換器在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中有著重要的地位，它直接連接電源和電機(jī)繞組，是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的通道，是保證實(shí)現(xiàn)控制的根本。通常，功率變換器在整個(gè)系統(tǒng)中所占的成本比重最高，因此功率變換器的合理選擇可以有效降低系統(tǒng)成本。

綜合考慮本系統(tǒng)所用的0.37 kW、四相8/6極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，功率變換器選用飛兆公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)芯片F(xiàn)CAS20DN60BB，其內(nèi)部集成了4個(gè)IGBT、4個(gè)快速恢復(fù)二極管、兩個(gè)Bootstrap二極管、1個(gè)熱敏電阻，并帶有多項(xiàng)的功能保護(hù)。FCAS20DN60BB的外圍電路如圖3所示。

2.3 換相控制電路

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)換相的實(shí)現(xiàn)，主要是通過(guò)檢測(cè)磁阻電機(jī)本身所帶傳感器發(fā)出的S、P兩相信號(hào)，在不同位置給單片機(jī)不同的信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)使能不同的相進(jìn)行通斷，以此實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相。在S、P信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)之前，要進(jìn)行光電隔離，從而防止信號(hào)受到外部的干擾，使用型號(hào)為HCPL-4504的光電耦合器完成。采用雙四拍的工作方式，令逆時(shí)針為反轉(zhuǎn)，順時(shí)針為正轉(zhuǎn)。因此，正轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳D-DC-CB-BA，反轉(zhuǎn)通電順序?yàn)锳B-BC-CD-DA， S、P兩相在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)的不同勵(lì)磁相如表1所列，換相外部電路如圖4所示。

2.4 速度檢測(cè)電路

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部定子上的兩個(gè)光電脈沖發(fā)生器發(fā)出的周期為60°,且有相差15°的方波，這在換相時(shí)是十分有用的，但是在速度檢測(cè)時(shí)，已經(jīng)達(dá)不到所需的精度要求，通常的做法是將S、P兩相信號(hào)異或，使其成為一個(gè)周期為30°的方波信號(hào)。如圖2所示，RA1、RB5分別作為CLC4的輸入信號(hào)，利用CLC4的內(nèi)部異或邏輯將S、P兩相信號(hào)異或，可以達(dá)到目的，并且減少了外部邏輯器件的使用。

表1 SR電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字

圖4 換相電路圖

速度檢測(cè)的準(zhǔn)確是實(shí)現(xiàn)速度伺服控制的基礎(chǔ)，雖然PIC16F1508單片機(jī)沒(méi)有捕捉功能，但是其TMR1模塊自帶門(mén)控使能計(jì)數(shù)的功能，可以把S、P相信號(hào)異或后作為T(mén)MR1的門(mén)控信號(hào)輸入源，以系統(tǒng)時(shí)鐘的8分頻為T(mén)MR1的時(shí)鐘，并且使能門(mén)控反轉(zhuǎn)和單脈沖模式，從而完整地測(cè)量門(mén)控信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間。一個(gè)位置信號(hào)的周期相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)30°機(jī)械角，只要測(cè)得轉(zhuǎn)過(guò)1個(gè)位置信號(hào)周期時(shí)間Δt,就可根據(jù)ω=30°/Δt,計(jì)算出平均轉(zhuǎn)速。

2.5 鍵盤(pán)顯示電路

鍵盤(pán)顯示電路用于動(dòng)態(tài)地顯示開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時(shí)速度，本文使用單片機(jī)的主同步串行口模塊(MSSP)，通過(guò)I2C接口與外部器件ZLG7290進(jìn)行通信，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。ZLG7290是具有I2C串行接口功能、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)可以連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤(pán)接口的全部功能[4]。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)外部電路圖如圖5所示。

圖5 鍵盤(pán)顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟硬件的正確配合是系統(tǒng)正確運(yùn)行的保證，軟件部分的設(shè)計(jì)任務(wù)主要包括：主程序、換相中斷子程序、速度檢測(cè)子程序、按鍵中斷子程序、故障中斷子程序等。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序中包括：系統(tǒng)初始化、變量的賦值、CLC單元的設(shè)定、中斷配置、TMR1模塊配置等。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 換相中斷子程序設(shè)計(jì)

根據(jù)位置檢測(cè)及換相硬件電路的設(shè)計(jì)，PIC16F1508單片機(jī)的RA0/RB5口接入開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)凹槽式光電傳感器H92B4發(fā)出的兩個(gè)電平信號(hào)，從而判斷出電機(jī)通電相，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換相控制。換相中斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 換相中斷子程序流程圖

3.3 速度檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

PIC16F1508沒(méi)有自帶捕捉的功能，因此使用其TMR1模塊的門(mén)控計(jì)數(shù)功能，S與P經(jīng)內(nèi)部CLC4異或后的信號(hào)作為門(mén)控信號(hào)，通過(guò)讀取中的脈沖個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出此時(shí)的轉(zhuǎn)速大小并送到數(shù)碼管顯示。速度檢測(cè)子程序流程圖如圖8所示。

圖8 速度檢測(cè)子程序流程圖

3.4 按鍵中斷子程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)進(jìn)入正常高速運(yùn)轉(zhuǎn)之前要輸入給定的速度值以及比例、積分、微分調(diào)節(jié)系數(shù)，因此在主程序中需要加入按鍵中斷子程序?？紤]到硬件電路設(shè)計(jì)中鍵盤(pán)輸入電路的設(shè)計(jì)，需要使用I2C總線通信的方式與ZLG7290芯片進(jìn)行通信，所以在按鍵中斷子程序設(shè)計(jì)中加入了讀子程序設(shè)計(jì)以及寫(xiě)子程序設(shè)計(jì)等。按鍵中斷子程序流程圖如圖9所示。

圖9 按鍵中斷子程序流程圖

3.5 故障中斷子程序設(shè)計(jì)

當(dāng)電路出現(xiàn)欠壓、短路等故障時(shí)，智能功率模塊發(fā)出一個(gè)電平信號(hào)經(jīng)INT中斷輸入引腳給控制器，控制器收到這個(gè)信號(hào)后就產(chǎn)生INT中斷，停止控制信號(hào)的輸出，以保證智能功率模塊及電動(dòng)機(jī)的安全。故障中斷子程序流程圖略——編者注。

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

測(cè)試各硬件設(shè)備的連接，系統(tǒng)上電，此時(shí)由PIC16F1508單片機(jī)發(fā)出的4路控制波形略——編者注。PIC16F1508單片機(jī)可以發(fā)出控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的4路波形，從而有效減少外部邏輯器件的使用，提高集成度和可靠性。

由功率驅(qū)動(dòng)芯片F(xiàn)CAS20DN60BB的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，最佳載波頻率為3 kHz，此時(shí)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速范圍略——編者注。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM的占空比不是嚴(yán)格的比例關(guān)系，而是存在一定的誤差。理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差的平均值為0.1%，滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。

結(jié) 語(yǔ)

由此可見(jiàn)，以PIC16F1508單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大減少了外部邏輯器件的使用，而且性能穩(wěn)定，可靠性得到提高。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以為其他電機(jī)設(shè)計(jì)者提供借鑒。

[1] 王曉明.電動(dòng)機(jī)的ADSP控制—ADI公司ADSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2] Microchip.PIC16(L)F1508/9數(shù)據(jù)手冊(cè)2014.

[3] 王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.ZLG7290 I2C接口鍵盤(pán)及LED 驅(qū)動(dòng)器2014.

趙波、李玉美(碩士研究生)，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程自動(dòng)化；王曉明(教授)，長(zhǎng)期從事運(yùn)動(dòng)控制、自動(dòng)化控制的科研和教學(xué)工作。

Zhao Bo,Li Yumei,Wang Xiaoming

(School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

The design takes PIC16F1508 as the control core,which uses PWM module,CLC module and TMR1 module for pulse width modulation and speed detection,and it uses the switched reluctance motor drive power chip FCAS20DN60BB as a driver to realize the servo control for the switched reluctance motor.This control system has the advantages of simple structure,less usage of the external logic device,high reliability and low cost.By using the 370W,four phases 8/6 SR motor as the control object,the experiment achieves good results.

switched reluctance motor;PIC16F1508;CLC;PWM

TP273

A

迪娜

2015-03-30)