三相電動(dòng)機(jī)編程控制解決方案

      通過變頻技術(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。

      本文介紹了采用Renesas公司M16C/28和R8C/11系列的CPU產(chǎn)品，運(yùn)用120°梯形波交變，通過電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓的過零點(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。

一 與電動(dòng)機(jī)控制有關(guān)的基本概念

1 逆變器控制
      電能（商用電源）一般是通過一個(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。

2 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°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，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)子位置是通過電動(dòng)機(jī)電流來(lái)估測(cè)的。



二 用于電動(dòng)機(jī)控制的硬件和軟件規(guī)范

1 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)電壓的過零點(diǎn)檢測(cè)


三．用于電動(dòng)機(jī)控制的CPU及其周圍設(shè)備的功能說明

（1）A/D轉(zhuǎn)換

（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實(shí)現(xiàn)120°交變驅(qū)動(dòng)電機(jī)
      在采用梯形波的120°交變中，轉(zhuǎn)速基本與電壓成正比。

（3）三相電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓的過零點(diǎn)檢測(cè)
      在本軟件中，感應(yīng)電壓的過零點(diǎn)是通過按下表對(duì)外部中斷功能進(jìn)行配置的方法來(lái)檢測(cè)的。

 

四 用于利用梯形波交變來(lái)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°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°交變控制旋轉(zhuǎn)速度在±500 rpm～3000 rpm范圍。系統(tǒng)配置入系統(tǒng)構(gòu)成框圖。
（2） 對(duì)8個(gè)控制模塊的描述。包括：
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、
PWM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12個(gè)寄存器，包括：
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0~3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
停止檢查處理