基于C868的低成本開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)

　　開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)具有諸多明顯優(yōu)勢，例如結(jié)構(gòu)簡單、高起動轉(zhuǎn)矩、高效率、高可靠性和低成本等等，正不斷引起各行各業(yè)的關(guān)注。圖1(a)所示為一個典型的6/4三相開關(guān)磁阻電機(jī)。電機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子既無繞組也無永磁體；定子各極上繞有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯(lián)，構(gòu)成一相。開關(guān)磁阻電機(jī)的運行基于“磁阻最小”原理—磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產(chǎn)生磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。在電機(jī)運行時, 每相繞組只有在該相電感處于增加階段時通電,而在電感處于減少時必須斷電。圖2(b)所示為該電機(jī)相應(yīng)的主電路。兩個半導(dǎo)體開關(guān)器件必須同時導(dǎo)通, 兩個二極管在兩個半導(dǎo)體開關(guān)器件關(guān)斷時同時導(dǎo)通。決定電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的是各相繞組的通斷點順序(換流表)而不是電流方向。顯然，電機(jī)的換流時刻與轉(zhuǎn)子具體位置直接相關(guān)。

　　必須特別指明的是正轉(zhuǎn)矩(電動轉(zhuǎn)矩)只有當(dāng)電機(jī)電感增加階段才能得到,而在電感處于減少時只能得到負(fù)轉(zhuǎn)矩(制動轉(zhuǎn)矩) 。因此相電流的大小以及開始和截止的確切時刻是決定開關(guān)磁阻電機(jī)最終運行性能的關(guān)鍵因素。

　　無論系統(tǒng)采用何種控制策略, 在開關(guān)磁阻電機(jī)控制中需要用到下列兩種PWM調(diào)制方法。

　　·電壓型PWM調(diào)制 - 低速區(qū)域

　　如圖2所示, 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時,兩次換流之間的間隔足夠大, 常見的固定頻率電壓型PWM調(diào)制用于控制電流幅值及其變化。

　　·單脈沖觸發(fā)模式 - 高速區(qū)域

　　隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷增加, 換流間隔的不斷減小以及反電勢的影響日益明顯, 相電流的調(diào)節(jié)越來越困難。最終當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后, 已無法通過控制相電流的幅值及其變化來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速, 而只能通過控制相電流導(dǎo)通和截止的時刻來達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的, 此時電機(jī)處于單脈沖觸發(fā)運行模式, 如圖2所示。在這種模式下, 通過不斷調(diào)整各相電流的導(dǎo)通和截止時刻, 就能保證在正轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生區(qū)域及時加上電流, 而在負(fù)轉(zhuǎn)矩區(qū)域來臨之前及時關(guān)斷電流， 從而保證電機(jī)的正常運行。

　　C868和CAPCOM6E

　　C868是英飛凌8位單片機(jī)產(chǎn)品家族中的新成員，可為各種應(yīng)用和系統(tǒng)提供低成本的先進(jìn)控制功能。對于研發(fā)和批量生產(chǎn)，SRAM型號可以最低的系統(tǒng)費用實現(xiàn)高度的靈活性。對應(yīng)的ROM型號能進(jìn)一步降低成本。借助功能強(qiáng)大的片上PWM發(fā)生單元CAPCOM6E，C868滿足了對低成本、高實時性的電力電子控制的所有要求。利用靈活的CAPCOM6E，由硬件/軟件處理所有對時間要求十分苛刻的任務(wù)，而CPU則處理用戶命令，并可進(jìn)行相應(yīng)的控制運算。內(nèi)置的5通道/8位ADC所具備的同步特性有助于測量無噪音相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)。

　　CAPCOM6E是一種功能強(qiáng)大、靈活的比較捕捉單元，可驅(qū)動多種類型的電機(jī)(交流異步電機(jī)IM、直流無刷電機(jī)BLDC和開關(guān)磁阻電機(jī)SRM等)，是基于此類PWM單元十多年的研發(fā)的最新成果。

　　CAPCOM6E具備以下特性：

　　·2個獨立的帶預(yù)分頻器的16位計時器。

　　T12具有三個捕捉/比較通道，每個通道有兩個輸出，可用作捕捉通道或比較通道，并且具備死區(qū)時間控制，可避免功率電路出現(xiàn)短路。T12有中心對齊、邊緣對齊、單脈沖觸發(fā)模式和滯環(huán)控制等控制模式，可用于控制感應(yīng)電機(jī)IM、直流無刷電機(jī)BLDC和開關(guān)磁阻電機(jī)SRM。

　　對于開關(guān)磁阻電機(jī), 其單脈沖觸發(fā)模式可用于電機(jī)高速區(qū)域的控制。

　　T13有一個獨立的比較通道和一路輸出，可生成高速PWM信號，并控制占空比。T13也支持單脈沖觸發(fā)模式，可與T12同步。PWM信號可自動迭加至T12的六路輸出中任何一個(或全部)的有效電平上。

　　對于開關(guān)磁阻電機(jī)，在低速區(qū)域, 可以通過T13 PWM的占空比控制電機(jī)的相電流幅值及其變化， 從而調(diào)節(jié)電機(jī)速度。

　　所有計時器輸出信號均可在一個多通道控制模塊中進(jìn)行配置和變更。

　　·CAPCOM6E還能檢測轉(zhuǎn)子位置， 并帶有噪聲濾除功能。

　　·CAPCOM6E的另一個重要功能是緊急中斷輸入CTRAP—該功能確保當(dāng)電平低時CAPCOM6E中T12的六個輸出處于用戶預(yù)先定義的狀態(tài)。

　　如圖3所示，CC60-CC62和COUT60-COUT62是用于驅(qū)動電機(jī)的六個基本輸出信號。對于開關(guān)磁阻電機(jī)控制，轉(zhuǎn)子位置反饋信號由CCPOS0-CCPOS2輸入。T13生成的高頻PWM信號將以高達(dá)50ns的分辨率，加至T12的CC60-CC62和COUT60-COUT62輸出中的任何一個的有效電平。CTRAP是緊急中斷輸入。如果該輸入為低，CC60-CC62和COUT60-COUT62將立即變?yōu)轭A(yù)定義的電平，以實現(xiàn)過流/過壓保護(hù)。用戶僅需設(shè)置各種寄存器的值，例如周期寄存器、比較寄存器、偏移寄存器等等，即可輕松快捷地控制CAPCOM6E。

　　圖4所示為一個基于C868的開關(guān)磁阻電機(jī) 系統(tǒng)框圖。圖中，電機(jī)是圖1(a)所示的6/4三相開關(guān)磁阻電機(jī)。該電機(jī)帶有轉(zhuǎn)子位置反饋(霍爾傳感器)。主電路采用常見的(一相)雙開關(guān)結(jié)構(gòu)。這兩個開關(guān)都由高頻PWM信號控制。C868的CAPCOM6E首先工作在多通道模式, 按照轉(zhuǎn)子位置反饋信號輸出固定頻率的電壓型PWM控制信號, 把電流控制在指定范圍。直流母線電流由A/D轉(zhuǎn)換器輸入。該A/D轉(zhuǎn)換器由CAPCOM6E的T13同步觸發(fā), 可躲過電流尖峰，采入真實的電流信號。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，CAPCOM6E 轉(zhuǎn)入單脈沖觸發(fā)模式。此時A/D轉(zhuǎn)換器由T12同步觸發(fā)。圖5所示為低速區(qū)域的PWM輸出波形和相電流波形。

　　結(jié)語

　　本文介紹了采用英飛凌最新推出的8位單片機(jī) C868及其功能強(qiáng)大、靈活自如的PWM發(fā)生單元CAPCOM6E實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的方法。除了一般常見的PWM控制外, C868的CAPCOM6E特設(shè)單脈沖觸發(fā)模式,專門用于開關(guān)磁阻電機(jī)的高速區(qū)域的控制。C868所帶A/D轉(zhuǎn)換器的同步功能可以進(jìn)行精確的無噪聲的電流測量, 對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也有很大的幫助。