基于控制專用單片機的無刷直流電機控制器
1 概述
無位置傳感器無刷直流電動機控制器采用的位置檢測方法是反電勢3次諧波檢測法，其輸入 到控制器的有2路信號，1路為A相反電勢過零信號，1路為轉(zhuǎn)子磁通3次諧波的過零信號，利 用這2路信號控制永磁同步電機運行于自同步工作狀態(tài)。所以這一控制系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的反 電勢基波法（也叫端電壓法）采用3路反電勢過零點信號的控制系統(tǒng)。
由于3次諧波檢測法相當靈敏，而且在信號處理中無需經(jīng)過衰減率極大的低通濾波器，使得3次諧波檢測在較低的轉(zhuǎn)速下就可以正確檢測出轉(zhuǎn)子的位置。由于3次諧波信號的處理可以采 用在整個頻率范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定的90°積分器電路，所以檢測精度高，這帶來的直接效果就 是電機的運行效率高，輸出轉(zhuǎn)矩大，因此，本文研究一種適合于3次諧波檢測法的控制器。
2 控制器的各組成電路
無刷直流電機控制器的任務(wù)是完成位置閉環(huán)、轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制以及起動控制。位置閉環(huán)是為了 使電機運行于自同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)則是為了調(diào)速。由于3次諧波檢測法同樣也無法檢測零 速下電機轉(zhuǎn)子的位置，所以同樣也需要比較復(fù)雜的起動控制。
2.1 位置閉環(huán)的實現(xiàn)
在本控制器中采用中斷方式完成位置閉環(huán)，在控制器的控制程序中預(yù)先編制三相6拍對應(yīng)的 三相同步信號序列，3次諧波每一次跳變引發(fā)1次中斷，控制器輸出下一個同步信號序列。A 相反電勢每一次上跳沿引發(fā)1次中斷，使控制器指向第一個同步信號序列。
位置閉環(huán)的實現(xiàn)主要由譯碼電路、3次諧波沿脈沖生成電路。譯碼器電路是把微機輸 出的三 相同步信號譯碼成逆變6個功率器件的導(dǎo)通信號，其功能與傳統(tǒng)端電壓法采用的譯碼器功能 一樣。本文所研究的控制器是采用GAL16V8可編程邏輯器件來完成的。
無刷機運行狀態(tài)時，3次諧波位置信號每一次跳變對應(yīng)著一個換相時刻，而能引起微機產(chǎn)生1 次外部中斷的只能是外部信號發(fā)生1次上跳沿，所以這就需要1個沿脈沖生成電路，把輸入的 3次諧波信號上跳沿和下跳沿都轉(zhuǎn)化成具有上跳沿的窄脈寬。使用2個上升沿單穩(wěn)觸發(fā)器可能完成這樣的功能。沿脈沖生成電路如圖1所示，其中脈沖的寬度由單穩(wěn)觸發(fā)器的RC延時網(wǎng)絡(luò)決定。這個脈寬要求不能大于最高轉(zhuǎn)速時3次諧波位置信號的脈寬，否則在最大轉(zhuǎn)速時每一 個周期將會漏掉1次換相時刻，這將會使電機運行于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。
2.2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的實現(xiàn)
轉(zhuǎn)速閉環(huán)的實現(xiàn)包括轉(zhuǎn)速的測定、控制量的設(shè)定及PWM波占空比的調(diào)節(jié)。
因為3次諧波位置信號頻率與電機的轉(zhuǎn)速成正比，對于P=2的電機，轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)1圈，3次 諧波 信號發(fā)生12次跳變。所以轉(zhuǎn)速的測定可能通過測定3次諧波信號。由于3次諧波頻率比較低 ，采用測頻法測轉(zhuǎn)速，若想在較短的時間內(nèi)測出電機的轉(zhuǎn)速，那么測得的轉(zhuǎn)速誤差太大。所以本控制器采用測周法。
由于80C196KB帶有高速輸入口，輸入信號的每一次跳變發(fā)生時刻將被高速輸入口記錄下來， 這為測周法的實現(xiàn)提供了極大的方便。3次諧波信號通過HSI.1輸入到單片機中，設(shè)定高速輸 入口為記錄每一次跳變的工作方式，并設(shè)定FIFO為保持寄存器有效中斷方式，即每發(fā)生一個 事件響應(yīng)1次中斷，在中斷處理程序中計算2次事件的時間差，從而計算出電機的轉(zhuǎn)速。
控制量的設(shè)定包括轉(zhuǎn)速給定值、啟動負載設(shè)定值、正反轉(zhuǎn)開關(guān)以及啟停開關(guān)等。其中轉(zhuǎn)速給 定值和啟動負載設(shè)定值可以通過Philips遙控器以及紅外接收頭來完成數(shù)字設(shè)定，紅外接收 頭的輸入信號可接到單片機的高速輸入口，在FIFO中斷處理程序中識別遙控器輸入的鍵值， 并根據(jù)鍵值設(shè)定輸入值，也可以采用電位器模擬給定，由80C196KB的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。正 反轉(zhuǎn)開關(guān)以及啟停開關(guān)只需要普通的開頭形成電平信號從P1口輸入到單片機中，在控制器主 程序循環(huán)中，不斷查詢開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)不同的開關(guān)狀態(tài)進行相應(yīng)的處理。
80C196KB內(nèi)含一個8位PWM通道，無須再擴展，此PWM通道在12M晶振下，輸出的PWM頻率可達2 3.6kHz，超出了音頻范圍，不會給系統(tǒng)帶來噪聲。要改變PWM占空比只需改變PWM占空比寄存 器，使用起來相當可靠、方便。唯一不足的一點是其占空比分辨率只有8位，即1/256（0.39% ），對于要求調(diào)速精度較高的場合，需要外加高辨率的PWM波發(fā)生器。
2.3 起動控制的實現(xiàn)
在基于3次諧波檢測法控制系統(tǒng)中，同樣也可以采用端電壓法控制系統(tǒng)所采用的3段式起動方 法，即整個起動過程分為轉(zhuǎn)子定位、加速和切換3個階段。對于3次諧波檢測法端電壓法，其檢測的靈敏度大大提高。3次諧波檢測法的高靈敏度使得電機的起動無須像端電壓法那 樣復(fù)雜，電機一開始只輸入輸出一個定位信號進行轉(zhuǎn)子定位，然后輸出下一個信號序列，使定子磁場向前跳進60°，這時電機由定位位置轉(zhuǎn)到下一個位置的過程中，3次諧波信號已經(jīng)有效，并向微機發(fā)出1次換相中斷，使得電樞磁場再向前跳進60°，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下向前旋轉(zhuǎn)，到達換相位置時，由3次諧波檢測出的轉(zhuǎn)子位置信號向微機發(fā)出1次換相中斷，使電樞又向前跳進，如此循環(huán)，可能使電機逐漸運行至穩(wěn)定狀態(tài)。實驗證明，這種簡化的起動方法完全可行。
3 控制系統(tǒng)原理圖
由于80C196KB強大的功能，使得以往必須采用外圍擴展硬件電路完成的功能，比如相位差檢 測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)向控制電路、PWM波生成電路等，現(xiàn)在都可以利用80C196KB本身所 帶的硬件設(shè)備或控制軟件來完成，使CPU外圍電路大大簡化，減少元器件相互之間的電磁干 擾，可靠性也大大提高。根據(jù)以上所分析的各功能實現(xiàn)電路以及實現(xiàn)辦法，可以構(gòu)出如圖2 所示的控制系統(tǒng)原理圖。
在本系統(tǒng)中，80C196KB的P3、P4口用于作系統(tǒng)總線，P2口用于作為特殊功能口，P1口作為IO 口，P0口用于作A/D轉(zhuǎn)換以及輸入口。
4 控制軟件的實現(xiàn)
主程序主要任務(wù)是初始化各變量及標志的值，設(shè)置CPU各設(shè)備的控制字，初始化各端 口狀態(tài)及開啟相應(yīng)的中斷，并調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。其流程如圖3所示。
HSI FIFO保持寄存器有效中斷主要任務(wù)有兩個，一個是在同步機運行狀態(tài)時，檢測 同步信號 與位置信號的相位差，當相位差滿足規(guī)定的條件后，負責(zé)切換成無刷機運行狀態(tài)。另一個任 務(wù)是在切換成無刷機運行狀態(tài)后，還承擔(dān)測周法檢測電機轉(zhuǎn)速的任務(wù)。
5 實驗結(jié)果
本文對250W的樣機進行了轉(zhuǎn)速負反饋控制實驗，圖4是電機轉(zhuǎn)速給定量分別為1 500r/min和 2500 r/min時，負載從空載至額定負載變化時的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可以 可靠地工 作。電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差小于32r/min，產(chǎn)生這一誤差的主要原因是由于PWM發(fā)生器占空比分 辨率只有8位。本文設(shè)計的控制系統(tǒng)，如果用于壓縮機電機等場合，其性能已滿足要求。
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