電機控制應(yīng)用方案

電機驅(qū)動中采用微控制器的優(yōu)點

節(jié)電已成為環(huán)境保護(hù)浪潮中的重要一環(huán)。在家電和工業(yè)控制中所使用的電動機驅(qū)動系統(tǒng)是耗電大戶，其中大多數(shù)電機通常工作在非控方式，因而效率很低。隨著半導(dǎo)體工業(yè)，特別是大功率電子器件及微控制器的發(fā)展，使變速驅(qū)動變得更加現(xiàn)實且成本更低。目前，變速驅(qū)動不僅在特殊專用及大功率/高效率的工業(yè)控制如機床。升降機中使用，而且越來越多地應(yīng)用到家用電器中，如洗衣機、壓縮機、小電泵、空調(diào)器等。這些由微控制器的高精密算法控制的驅(qū)動方式為各種應(yīng)用帶來了許多的優(yōu)點：系統(tǒng)效率提高-變速控制可降低電機的無用功率。

性能改善-數(shù)字控制方式可實現(xiàn)多種功能，如智能數(shù)字閉環(huán)控制，變頻頻率波形速形，故障容忍，及同其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊等。

機電能量轉(zhuǎn)換簡化-變速驅(qū)動可避免使用轉(zhuǎn)換器，變速箱等。

軟件升級簡單-由于具有閃速存儲器的微控制器系統(tǒng)，可根據(jù)需要迅速地改變算法和控制變量。

隨著變速驅(qū)動的引入，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也將相應(yīng)增加。但在各種具體應(yīng)用中，一個基本的要求就是總成本必須控制在一個合理的范圍內(nèi)。在大多數(shù)系統(tǒng)中，特別是家用電器，總成本必須同非控系統(tǒng)價格相當(dāng)。

本文主要介紹采用摩托羅拉單片機實現(xiàn)低成本三相交流電機，三相直流無刷電機和通用電機的控制設(shè)計實例。

無傳感器的相位角通用電機驅(qū)動

基于MC68HC05JJ6/MC68HC705JJ7單片機和MAC4DC可控硅的低成本相位角電機控制驅(qū)動系統(tǒng)示于圖1。低成本單相功率控制板專門適用于轉(zhuǎn)速從3000rpm到10000rpm的通用無刷電機。目前此類電機廣泛用作家用電器中的馬達(dá)，例如：真空吸塵器、洗碗機、手持電動工具及食品加工機。其工作模式為閉環(huán)調(diào)速。相對于常用的在電機軸上加裝轉(zhuǎn)速計的方案，所述電路則為一個無轉(zhuǎn)速計的方案，轉(zhuǎn)速的測量是由單片機沒量電機電流來間接完成的。

無傳感器相位角驅(qū)動

電路的設(shè)計充分利用了單片機的資源從而使其原理圖相當(dāng)簡單。這種低成本的單片機功能很強，足以完成驅(qū)動閉環(huán)無傳感器相位角控制系統(tǒng)的所有工作。所有的功能僅由兩種集成電路及很少的外圍器件即可完成。因而使之成為電路板設(shè)計緊湊，且具有很好經(jīng)濟性的方案。

這種設(shè)計的目的之一就是要在不使用轉(zhuǎn)速計的情況下實現(xiàn)通用電機的低成本環(huán)速度控制。圖1所示即為其電原理圖。這種無傳感器相位解驅(qū)動僅需兩塊集成電路，即一個單片機和一個運算放大器。

由圖可見系統(tǒng)包含以下幾個部分：單片機，電源，同步器，電流檢測，功率器件。

應(yīng)特別注意的是電流檢測和計算。因為此信號對無傳感器算法十分重要。因此應(yīng)選用具有非接地輸入和高噪聲抑制的差分運放。

無傳感器算法

通用電機由可控硅制驅(qū)動時必須分成兩相：a)當(dāng)可控硅關(guān)斷時，i=0

b)當(dāng)可控硅開啟時，v=e+z.i

式中

e=反電動勢（bemf)k.i.Ω

z=電機阻抗r+j.L.ω

ω=主頻

Ω=電機速度

k=電機常數(shù)

r=線圈電阻

v=（kΩ+r).i+j.L.ω.i

Saber模擬模型可用來計算所有必要的算式及運行虛擬的無傳感器相位角通用電機系統(tǒng)。這里從它的數(shù)據(jù)庫中引用了一個標(biāo)準(zhǔn)的通用電機模型（dc_srs.sim)，并根據(jù)一個200瓦的通用電機參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。

從模擬結(jié)果可證明，在交流過零點時檢測的電流ito，除最大啟動延遲為8ms情況下，僅跟轉(zhuǎn)速有關(guān)。如果轉(zhuǎn)速高于3000rpm，且啟動延遲小于8.5ms，交流過零時的電流，對應(yīng)給定的速度下，在較寬范圍的負(fù)載變化時均為一常數(shù)。如果轉(zhuǎn)速低于3000rpm，或啟動延遲時間大于8.5ms，則需要修正。

控制特性

根據(jù)模擬結(jié)果，可對速度和電流的關(guān)系進(jìn)行測量。在程序中可利用此特點，對應(yīng)一種速度確定一個電流值。在無傳感器相位角算法中，最重要的一點是電機的特性要好。電流必須在一固定啟動延遲和一個合理的速度范圍內(nèi)，在過零點時進(jìn)行測量。

單片機的使用

表1所示為進(jìn)行傳感器相位解驅(qū)動所需的存儲器容量。同時，也要為單片機進(jìn)行其它工作保留一定量的存儲容量。

表1 存儲器用量

測試是利用一個200瓦的通用電機通過一個變速箱進(jìn)行的。其結(jié)果是在啟動后，當(dāng)負(fù)載在10%幅度內(nèi)變化時，其速率可保持恒定不變。

同時也做了負(fù)載變化90%情況的試驗。在此情況下，速度降低1秒后，控制器便能使其恢復(fù)，并保持恒定。

基于MC68HC908MR24的低成本三相交流電機控制系統(tǒng)

這是一個建立于摩托羅拉的專門應(yīng)用于電機控制的MC68HC908MR24單機基礎(chǔ)上的低成本三相交流電機驅(qū)動設(shè)計實例。可適用于風(fēng)扇、壓縮機、泵、空調(diào)或其它類型的應(yīng)用中。在此類應(yīng)用時，系統(tǒng)的總成本是基本的要求而并不強求電機具有優(yōu)異的動態(tài)特性。

系統(tǒng)概念

本系統(tǒng)設(shè)計用于在速度閉環(huán)回路下驅(qū)動三相交流電機。根據(jù)所期望的應(yīng)用環(huán)境，壓/頻（V/F）控制算法是最佳選擇。這是因為其它的控制方法不適合于低成本交流驅(qū)動。速度傳感器的應(yīng)用使得系統(tǒng)具有更好的速度驅(qū)動精度。

圖2所示為一個標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括如下幾個部分：單片機控制板；三相轉(zhuǎn)換器；反饋傳感器，包括電機速度、直流總線電壓、總線電流和過流狀態(tài)測量；光電隔離器，用于功率驅(qū)動模塊與單片機之間；電源。

硬件設(shè)計

單片機控制板

摩托羅拉單片機MC68 HC908MR24通過讀取速度指令和反饋信號控制整個驅(qū)動系統(tǒng)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的算法，產(chǎn)生功率器件的PWM信號，以及用戶界面的各種狀態(tài)信號等。這種專用單片機僅需很少數(shù)量的外圍器件即可。

三相轉(zhuǎn)換器

三相轉(zhuǎn)換器組成了系統(tǒng)的功率推動部分，其功能是用于將單片機產(chǎn)生的5VPMW信號轉(zhuǎn)換為能驅(qū)動電機的高電壓控制脈沖。在本設(shè)計方案中，選用了帶有續(xù)流二極管的IGBT（隔離門雙極晶體管），它具有良好的電流和高頻特性，可使設(shè)計者利用高于人耳音頻范圍之上的16-20KHz的PWM脈沖來有效地驅(qū)動電機。

反饋傳感器

為使系統(tǒng)正常工作，必須具備能正確反應(yīng)出直流總線電壓，直流總線電流和電機速度的反饋信號。

直流總線電壓用于提供過壓保護(hù)信號，可用電阻分壓實現(xiàn)簡單的電壓傳感器。直流總線電流用于提供過流保護(hù)信號，而且在控制算法中也需用到直流總線電流值。電流的測量方法可在直流總線的電線回路上串入電流感應(yīng)電阻。對于過流保護(hù)，可用一個比較器來產(chǎn)生一個出錯信號，可用一個比較器來產(chǎn)生一個出錯信號，并將其連到單片機PWM單元的出錯輸入腳。

對于閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，速度傳感器是必須的。交流測速儀可感測電機的實際速度。交流測速儀提供的是一種交流正弦波，其頻率與電機速率成正比，且正弦信號可用一方波電路進(jìn)行濾波，將其轉(zhuǎn)換成具有邏輯電平的方波，然后將方波信號輸入到單片機的定時器輸入捕捉單元中。

光電隔離為系統(tǒng)中控制部分和功率部分提供了電流隔離。六個光耦合器用以隔離電機控制PWM信號。而且，為保證可靠性，安全性和避免電線噪聲，所有的反饋信號（包括電壓，電流）都必須采用光電耦合器或光電隔離放大器進(jìn)行隔離。

軟件設(shè)計

電機控制任務(wù)按以下方式完成：根據(jù)所要求的速度要求計算出加速和減速斜率，電機實際速度同時由轉(zhuǎn)速傳感器測得。速度控制器根據(jù)速度誤差信號（實際速度與要求的速度之差）產(chǎn)生電機頻率，使電機速度接近要求。這樣，在穩(wěn)定狀態(tài)時，電機實際速度就等于要求的速度，壓頻算式按照頻率產(chǎn)生相應(yīng)的電壓值，然后由PWM模塊產(chǎn)生六個輸出信號并傳送給功率驅(qū)動部分。

在電機減速階段需要檢測直流總線電壓以防止過壓，在必要時要進(jìn)行保護(hù)功能。

整個驅(qū)動要對電機控制錯誤進(jìn)行保護(hù)。系統(tǒng)內(nèi)要測量以下錯誤信號：直流總線過壓；直流總線欠壓；電機過流。

如果以上任何一種錯誤出現(xiàn)，就必須關(guān)斷PWM輸出信號以保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的功率驅(qū)動器件。

單片機的使用

表2 存儲器的使用

表2所示為三相交流電機在閉環(huán)控制下所需的存儲器容量。單片機的其余大部分容量仍可用于其它的任務(wù)。

采用MC68HC908MR24的低成本高效無傳感器或直流無刷電機驅(qū)動

因為三相直流無刷（BLDC）電機具有高效性能和易于控制的特性，是低成本高效率速度驅(qū)動系統(tǒng)很好的選擇。這種電機實際中的缺點是電機相位交流依賴于轉(zhuǎn)子位置。如果采用傳感器來感知轉(zhuǎn)子位置，則必須將傳感信號傳送給控制單元。這樣，就要在電機上附加引線，而這在某些應(yīng)用中是不允許的。因此，至少有二種理由要求取消位置傳感器：1.在傳感器和控制單元之間加裝附加連線的不可行性。

2.位置傳感器和連線的成本。

第一點還可能利用將電機機體集成的方式來解決，然而很大一部分的應(yīng)用場合則需要無傳感器的方案。

一種很成熟的無傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置的方法就是，在過零點測量電機繞組產(chǎn)生的反電動勢。即當(dāng)三相繞組中某一組不加電時，測量其過零點時的反電動勢。得到的信息再利用脈寬調(diào)制的方法處理，來控制相位電壓。

這種驅(qū)動方式用于一些在特定的速度和負(fù)載條件下簡單的應(yīng)用（如泵、壓縮機、風(fēng)扇等）。

電機驅(qū)動系統(tǒng)模型

為了解釋反電動勢測量技術(shù)原理，要根據(jù)基本的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖3）建立一個簡單的數(shù)學(xué)模型。

電機驅(qū)動模型包括一個普通的三相功率模塊加一個直流無刷電機。系統(tǒng)的電源由電壓源（Ud）提供，集成在一起的6個半導(dǎo)體開關(guān)（SA/B/C t/b)提供矩形電壓波形。此處假定半導(dǎo)體開關(guān)和二極管為理想器件，整個系統(tǒng)的零電平設(shè)定為直流總線電壓的一半。這樣，可簡化計算出功率模塊輸出波形的數(shù)字表達(dá)式。

反電動勢測量

反電動勢測量技術(shù)是基于直流無刷電機在任何時候都僅有二相同時通電這一事實，因而第三相可用于測量反電動勢。

讓我們假設(shè)A要和B相有電而C相無電的情況，此時C相無電流通過。由以下條件來表示

SAb,SBt←PWM

uVA=±1 / 2ud,uVA=±1 / 2Ud (1)

iA=-iB,ic=0,dic=0

uiA+uiB+uic=0

由此條件可計算出C相電壓為

uVA=3 / 2 uic （2）

C相電壓可在功率模塊C輸出端和零電平獲得。因此反電動勢電壓就可在過零點時獲得。

同樣，相A和相B也可得出相似結(jié)論

uvx=3 / 2uix……x=A,B,C (3)

圖4所示為0～360°周期內(nèi)各相與電機繞組電壓，圖中長方形陰影表示等式（3）有效。換言之，反電動勢可在此期間內(nèi)測得。

系統(tǒng)概念

成本目標(biāo)使得設(shè)計變得越來越簡單化。

如前所述，反電動勢過零檢測可完成位置確認(rèn)。電阻網(wǎng)絡(luò)用于將測得的電壓降低到0～15V的水平。簡單的濾波器用于防止在IGBT信號轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的高電壓干擾。乘法器用來選擇同電流交換相應(yīng)的相位比較器輸出，然后將此信號傳至單片機的輸入捕捉引腳。

降壓電阻（0.6歐姆/2瓦）用于測量由PWM轉(zhuǎn)換的直流總線電流，并將得到的信號經(jīng)速形放大至0～5V。單片機內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與PWM信號是同步的。這是為了避免IGBT開關(guān)時的尖峰，并簡化電路。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器也用于測量直流總線電壓和速度設(shè)定，直流總線電壓通過一個電阻網(wǎng)絡(luò)降成5V電平。

六個IGBT（與內(nèi)置續(xù)流二極管封裝在一起）和高壓門驅(qū)動器組成了功率模塊。驅(qū)動器可提供電平轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動通常電機驅(qū)動所采用的高壓橋電路。PWM技術(shù)用來控制電機相位電壓。

為達(dá)到歐洲協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)IEC555-1，采用了具有線路濾波和射頻濾波器的普通電源（直接整流）。

控制算法

控制過程包括5個階段：定位階段、加速階段、穩(wěn)定階段、鎖相環(huán)PLL捕獲階段和運行（相位鎖定）階段。

定位階段

在電機啟動前，在向兩相加電時，有一段很短的時間（取決于電機電子時間常數(shù)），電流控制器將電流保持在一個預(yù)先設(shè)定的限度同，內(nèi)，引階段對于產(chǎn)生大啟動力矩是十分必要的。

加速

此時，電機啟動并達(dá)到它的工作速度，電流控制器將保證電流在最大限度內(nèi)以確保轉(zhuǎn)換不會被鎖死。此時用反電動勢測量技術(shù)測量轉(zhuǎn)子位置。但無論如何，驅(qū)動必須在無反饋的條件下開始，這是由于所產(chǎn)生的電壓幅度是與電機速度成比例的。因而在電機速度很低的情況下，無法測量到反電動勢，必須使用一個特別的啟動算法。

穩(wěn)定

此時電機在一定速度下運行了一小段時間，電機轉(zhuǎn)速在反電動勢反饋同步發(fā)生前已穩(wěn)定。

鎖相環(huán)捕獲

此時電流控制器關(guān)斷，僅保留過流檢測功能，電機由電壓源供電。這種交換必須小心。實際的PWM占空比（相位電壓）開始減小，直到在設(shè)定的時間范圍內(nèi)可檢測到若干過零點，其流低速度必須按需調(diào)整以防止產(chǎn)生系統(tǒng)共振。

運行（鎖相環(huán)鎖定）

在此階段必須達(dá)到以下條件：在一定的時間范圍內(nèi)必須檢測到過零點；在一個為換周期內(nèi)的電流峰值必須在一個設(shè)定的限度內(nèi)。

這樣，鎖相環(huán)控制器保持電機在設(shè)定的速度下高效地運行，并持續(xù)進(jìn)行電流檢測、過流檢測和電機失速檢測。

基于HC08芯核的單片機使得控制這樣的低成本應(yīng)用易如反掌。剩下的存儲空間（大于20K字節(jié)）和性能余量足以完成其它各項應(yīng)用目的。它使得設(shè)計者能完成更加高級的電機控制驅(qū)動，完成其它各種客戶要求的任務(wù)（如鍵盤控制和顯示控制）。

結(jié)論

相對來說，用電子方式控制電機驅(qū)動的趨勢也是剛剛開始?，F(xiàn)在各電機和半導(dǎo)體公司都在致力于用變頻驅(qū)動方式來取代定速電機。本文所述的低成本系統(tǒng)的變頻驅(qū)動方案就是希望能在全世界范圍內(nèi)的節(jié)能浪潮中有所貢獻(xiàn)。