三相電動(dòng)機(jī)編程控制工作原理及方案

本文介紹了采用Renesas公司MC16C/28系列的CPU產(chǎn)品,運(yùn)用120^o 梯形波交變,通過(guò)電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓的過(guò)零點(diǎn)來(lái)估測(cè)轉(zhuǎn)子位置,從而實(shí)現(xiàn)表面安裝永磁式同步電動(dòng)機(jī)（SPMSM）的無(wú)位置傳感器型驅(qū)動(dòng)的方法。

通過(guò)變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行數(shù)字控制是電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì),永磁式同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于控制、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。用單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的最常用的手段。

電動(dòng)機(jī)控制

圖1   三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

圖2  電動(dòng)機(jī)控制硬件框圖

逆變器控制
電能（商用電源）一般是通過(guò)一個(gè)電源系統(tǒng)來(lái)提供的。在這種場(chǎng)合,商用電源的電壓、頻率和相位在嚴(yán)格的控制之下被固定于一個(gè)精確的水平上。如果把一個(gè)商用電源直接提供給電動(dòng)機(jī)的負(fù)載,則感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)（IM）可以被起動(dòng),而同步電動(dòng)機(jī)（比如永磁式同步電動(dòng)機(jī)PMSM）則不能被起動(dòng)。
在逆變器控制過(guò)程中,商用電源未與負(fù)載相連。一個(gè)轉(zhuǎn)換器件首先把交流（AC）電流轉(zhuǎn)換成直流（DC）電源,然而再由一個(gè)逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源,以便向電動(dòng)機(jī)輸送具有期望電壓和頻率的交流電源。如果輸出電壓和頻率是根據(jù)負(fù)載和擾動(dòng)來(lái)控制的,則這將使得同步電動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)和旋轉(zhuǎn),并達(dá)到節(jié)能的效果。

表1 控制方法


表2 A/D轉(zhuǎn)換

表3 中斷功能

感應(yīng)電壓
電動(dòng)機(jī)可以起發(fā)電機(jī)的作用。因此,當(dāng)把一盞燈連接至電動(dòng)機(jī)并旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的軸時(shí),燈將會(huì)發(fā)光。這是因?yàn)楫a(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的緣故,而產(chǎn)生的電壓就被稱為“感應(yīng)電壓”。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),將不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此,當(dāng)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí),將強(qiáng)迫它在某一特定方向上旋轉(zhuǎn),以找到轉(zhuǎn)子的位置。
在采用180^o正弦波交變的電動(dòng)機(jī)控制中,由于電動(dòng)機(jī)中有電流連續(xù)流過(guò),故不能直接監(jiān)視電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。因此,在無(wú)位置傳感器的控制中,轉(zhuǎn)子位置是通過(guò)電動(dòng)機(jī)電流來(lái)估測(cè)的。

用于電動(dòng)機(jī)控制的硬件和軟件規(guī)范

硬件構(gòu)成
  表面安裝永磁式同步電動(dòng)機(jī)（SPMSM）
  A/D轉(zhuǎn)換器
  三相PWM輸出
  感應(yīng)電壓的零點(diǎn)檢測(cè)
四部分組成的框圖示于圖2。

軟件功能
軟件控制示于表1。

用于電動(dòng)機(jī)控制的CPU及其周圍設(shè)備的功能說(shuō)明
A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換說(shuō)明見(jiàn)表2。

三相PWM輸出
  采用鋸齒波來(lái)進(jìn)行調(diào)制和采用了三相模式0來(lái)實(shí)現(xiàn)120^o交變驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
  在采用梯形波的120^o交變中,轉(zhuǎn)速基本與電壓成正比。

三相電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)
在本軟件中,感應(yīng)電壓的過(guò)零點(diǎn)是通過(guò)按表3對(duì)外部中斷功能進(jìn)行配置的方法來(lái)檢測(cè)的。

用梯形波交變實(shí)現(xiàn)SPMSM的無(wú)位置傳感器型

驅(qū)動(dòng)的軟件描述
軟件描述了如何使用梯形波的120^o交變來(lái)實(shí)現(xiàn)SPMSM的無(wú)傳感器型驅(qū)動(dòng)。內(nèi)容包括： 
 (1)由電動(dòng)機(jī)中的感應(yīng)電壓來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和采用梯形波的120^o  交控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度在±500 rpm~3000 rpm范圍。
 (2)對(duì)8個(gè)控制模塊的描述。
    A/D轉(zhuǎn)換器
    感應(yīng)電壓的檢測(cè)
    實(shí)際轉(zhuǎn)速的計(jì)算
    目標(biāo)轉(zhuǎn)速的計(jì)算
    PWN占空比的計(jì)算
    確定輸出模式
    初始啟動(dòng)處理
    其他一些CPU關(guān)于系統(tǒng)異常動(dòng)作的監(jiān)測(cè)和檢測(cè)。
 (3)CPU寄存器的存儲(chǔ)變換
CPU具有13個(gè)寄存器：數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器、幀寄存器、中斷表寄存器、程序指針寄存器、用戶堆棧指針（USP）寄存器中斷堆棧指針（ISP）寄存器、狀態(tài)寄存器、標(biāo)志寄存器(進(jìn)位標(biāo)志寄存器、調(diào)試標(biāo)志寄存器、0標(biāo)志寄存器、符號(hào)標(biāo)志寄存器、寄存器組選擇標(biāo)志寄存器、溢出標(biāo)志寄存器、中斷使能標(biāo)志寄存器。)堆棧指針選擇標(biāo)志寄存器、處理器中斷優(yōu)先級(jí)寄存器、預(yù)留域寄存器。
存儲(chǔ)變換包括：
    線性地址空間,固定中斷的矢量,內(nèi)部RAM,SFR區(qū)域,特殊的頁(yè)面矢量等的地址分配。
    用于本軟件的存儲(chǔ)變換和段配置
(4)系統(tǒng)的主要軟件模塊
(5)與三相輸出有關(guān)的SFR的初始設(shè)定值
    AD轉(zhuǎn)換器的控制寄存器0－2的設(shè)置
    電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓檢測(cè)
    三相輸出PWM設(shè)置（24個(gè)寄存器）
(6)通過(guò)120°梯形波交變來(lái)實(shí)現(xiàn)SPMSM無(wú)傳感器型驅(qū)動(dòng)控制流程
    用于通過(guò)120°梯形波交變來(lái)實(shí)現(xiàn)SPMSM的無(wú)傳感器型驅(qū)動(dòng)的主處理
    初始化處理
    PWM中斷處理
    停止處理
    啟動(dòng)處理
    正常處理
　　實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算處理
    轉(zhuǎn)速命令計(jì)算處理
    總線電壓計(jì)算處理
    電動(dòng)機(jī)鎖定檢測(cè)處理
    停止檢測(cè)處理。