80C196MH在方波型三相直流無刷電機中的應用
關(guān)鍵字：直流無刷電機；PWM控制；調(diào)制
0 引言
近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁無刷直流電機的本體及其相關(guān)控制技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。永磁無刷直流電機有著噪音低、效率高、控制簡單、功率密度高等諸多優(yōu)點，因此在交通、航空、航天、軍工、伺服控制以及家電領(lǐng)域得到廣泛應用。
對方波型無刷直流電機的控制方式主要有H_PWM_L_0N調(diào)制方式、H_ON_L_PWM調(diào)制方式、H-PWMLPWM調(diào)制方式等。
本文介紹如何用80C196MH來實現(xiàn)H_WM_L_0N調(diào)制方式，并在上管進行PWM調(diào)制時，對應下管進行互補PWM調(diào)制，改進了電機減速停機性能，從而更好地對電機轉(zhuǎn)速進行控制。Intel80C196MH是專門為電機高速控制所設計，它是由CHMOS電路構(gòu)成，功耗低，并具有省電的工作方式，所以也適合集成于各種電路中長期使用，可靠性極高。
l 系統(tǒng)組成
典型的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)如圖1所示。它由電機本體、逆變器、位置傳感器、控制器組成。
在本文中，變頻器采用了富十公司R系列IPM模塊。IPM模塊內(nèi)含驅(qū)動電路和保護電路。控制芯片80C196MH發(fā)出的6路PWM控制信號經(jīng)過光耦TIP52l與驅(qū)動電路隔離。lPM保護信號經(jīng)光耦連至80C196MH的EXTINT功率驅(qū)動保護中斷引腳，該引腳檢測到低電平后，80C196MH控制器立刻將所有WG輸出腳(PWM)設置為高電平，關(guān)斷所有的IGBT。
對于方波型無刷直流電機，一般采用120°控制方式。脈寬120°的電機和傳統(tǒng)正弦波電機相比，具有整流電壓脈動小，轉(zhuǎn)矩脈動小的優(yōu)點。
2 調(diào)制方式
本文所采取的PWM調(diào)制方式基本屬于H_PWM_L_ON調(diào)制方式，即上橋臂PWM調(diào)制，下橋臂恒通；為了適應電機制動過程的需要，在該PWM調(diào)制策略的基礎(chǔ)之上，加了互補調(diào)制策略，即當上橋臂開關(guān)管進行PWM凋制時，則對應同一橋臂的下橋臂開關(guān)管處于與七橋臂開關(guān)管互補調(diào)制的狀態(tài)。這意味著，當上橋臂開關(guān)管開通時，下橋臂開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，而當上橋臂開關(guān)管關(guān)斷時，下橋臂開關(guān)管處于開通狀態(tài)。觸發(fā)脈沖分配的原理如圖2所示(低電平有效，T表示節(jié)拍)。
采用這種調(diào)制方式，電機在減速和制動過程中有一定的優(yōu)勢，下面以減速過程為例來進行分析。在急劇減速階段，因為隨著觸發(fā)脈沖寬度的減小，輸出電壓平均值立即下降，但是，由于系統(tǒng)的機械慣性大于電磁慣性，在電源輸出電壓下降瞬間，轉(zhuǎn)速并未下降，因此，造成電機繞組反電動勢電壓高于電源電壓，從而使電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，能量回饋到直流電源，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩作為制動轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速下降。隨著轉(zhuǎn)速下降，電樞反電動勢也下降，再生發(fā)電狀態(tài)消失。
設以電流從A相流到C相為例分析。A相上橋臂調(diào)制(S1)，C相下橋臂恒通(S2)，同時，S4和S1處于互補調(diào)制狀態(tài)，如圖3(a)所示。因為電機處于急劇減速狀態(tài)，所以電源輸出到電機的平均電壓UAC要低于電機繞組反電動勢平均值eAC表示A、C兩相繞組端子之間的反電動勢，可以看作一個電壓源)，如圖3(b)所示。在一個開關(guān)周期內(nèi)的DoT階段(Do=1一D，D為占空比，T為開關(guān)周期)，開關(guān)管S1關(guān)斷，S4開通，由于繞組呈現(xiàn)感性，相電流方向iA不變，此時電流通過S2、D4續(xù)流。到該電流衰減到零時，由于平均反電動勢eAC高于平均直流電壓UAC，對于直流電源來說，電機相當于一個直流電壓源，則在反電動勢作用下，相電流iA反向，因為此時S4處于開通狀態(tài)，所以該再生電流通過S4和D2被引入電機繞組，而直流母線電流為零。該再生電流對此時處于正轉(zhuǎn)的電機來說，為制動轉(zhuǎn)矩。在DT階段，S1開通，S4關(guān)斷；因為S4關(guān)斷導致再生電流立即改變流通途徑，通過D1、D2反向流過直流母線開始衰減，此時S1，開通但沒有電流流過。當該電流衰減至零時，S1、S2中開始流過電流并逐漸上升，一直持續(xù)到S1關(guān)斷為止。
從以上分析過程看出，這種互補調(diào)制方式將改變減速過程中繞組電流的流向，使電機繞組產(chǎn)生較大的制動力矩，有利于更快地減速，此時直流電流變?yōu)樨撝?，對直流端電容充電。本系統(tǒng)采用不控整流所得到的直流電壓為電機供電，因此無法將能量回饋到電網(wǎng)，需要一個途徑將反饋到直流側(cè)的能量釋放。為此在電路中并聯(lián)了一個由開關(guān)器件控制導通的功率電阻，當直流側(cè)的電壓達到一定的值時，部分能量就通過電阻以熱能的形式消耗掉。電阻發(fā)熱釋放能量的方式是一種迫不得已的手段。這種方法適用于不經(jīng)常制動和減速的情況，如果電機需頻繁制動和減速，可以考慮使用能量可回饋的變流電路。
3 調(diào)制方式的軟件實現(xiàn)
80C196MH內(nèi)部自帶EPA和WC功能模塊。WG波形發(fā)生器需要用到如下幾個寄存器：WG_COUNT(加／減時基寄存器)、G_RELOAD(重裝載寄存器，決定PWM的載波頻率)、WG_COM_Px(相比較寄存器，決定PWM的占空比)、WG_CON(WG控制寄存器)和WG_OUT(輸出控制緩沖寄存器)。其中WG_CON設置WC的方式(如占空比的裝載方式)，WG_OUT用來選擇6個輸出引腳上的輸出信號(高電平、低電平或PWM)。
當PWM的占空比最大(100％)時，其輸出電壓平均值最大，占空比最小(0％)時，其輸出的電壓為O。因此，AMP數(shù)據(jù)與占空比是成正比的。在程序中，占空比的值存儲在寄存器AMPLUDE中。占空比(AMPLITUDE)_WG_OMP／WG_RELOAD，考慮到表格數(shù)據(jù)以及規(guī)格化(100％_0FFFFH)，故有：
式中：WG_COMP為裝入相比較寄存器的值；
AMP為由查表得到的電流幅值；
WG_RELOAD為載波周期(本系統(tǒng)采用邊緣對準PWM方式3)。
AMP×WG_RELOAD得到32位的乘積，只取其高位字，就實現(xiàn)了除以216的操作。
利用80C196MH的EPA和WG功能模塊，根據(jù)換相順序確定輸出6路PWM信號和電平信號。增加了互補策略的H_PWM_L_ON調(diào)制方式的波形輸出時序如表1所列。
表中：WG1和WG1（P6.0和P6.1）表示相1信號；
WG2和WG2（P6.2和P6.3）表示相2信號；
WG3和WG3（P6.4和P6.5）表示相3信號；
WFG表示引腳上出現(xiàn)PWM波形。
PO 2、PO．1、PO．O用來表示位置信號在程序節(jié)拍號由電機傳送給單片機的位置信號來表示。在本系統(tǒng)中，位置信號傳給單片機的PO．2、PO.l、PO．O。根據(jù)位置信號的改變來改變WG_OUT寄存器的輸出，從而進行換相。
根據(jù)前面給出的波形輸出時序，圖4給出了換相子程序的流程圖。在本系統(tǒng)中，占空比的設置在波形發(fā)生器中斷服務程序中完成的，因此，在這里只需要設置WG_OUT來改變波形發(fā)生器的輸出值。
4 實驗結(jié)論
根據(jù)以上的控制策略，制作了一臺永磁直流無刷電機的樣機，并將它應用于工業(yè)縫紉機。圖5是實驗過程中得到的母線電流波形。如圖5中所示，在電機正常工作時，母線上會產(chǎn)生負電流，這是由下管的換向引起的。在實際應用中，可以采用換向延遲的方法來改善正常工作時母線電流的波形。
圖6是停機過程母線電流波形，在電機停機過程中，由于電機處于再生制動狀態(tài)，直流母線的平均電流為負值，電機作發(fā)電機運行，獲得了較大的制動力矩，從而使電機能夠快速地停機。
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