电机控制应用方案[推荐]

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　 电机控制应用方案

2 A0 z% I" Q! E! c# {电机驱动中采用微控制器的优点
   
    节电已成为环境保护浪潮中的重要一环。在家电和工业控制中所使用的电动机驱动系统是耗电大户，其中大多数电机通常工作在非控方式，因而效率很低。随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，使变速驱动变得更加现实且成本更低。目前，变速驱动不仅在特殊专用及大功率/高效率的工业控制如机床。升降机中使用，而且越来越多地应用到家用电器中，如洗衣机、压缩机、小电泵、空调器等。这些由微控制器的高精密算法控制的驱动方式为各种应用带来了许多的优点：系统效率提高-变速控制可降低电机的无用功率。
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    性能改善-数字控制方式可实现多种功能，如智能数字闭环控制，变频频率波形速形，故障容忍，及同其它系统进行通讯等。
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$ v! J% C2 D  ?; z6 r( R! o+ i    机电能量转换简化-变速驱动可避免使用转换器，变速箱等。
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8 b  I8 L" v8 U; ^    软件升级简单-由于具有闪速存储器的微控制器系统，可根据需要迅速地改变算法和控制变量。
   
    随着变速驱动的引入，系统的复杂程度也将相应增加。但在各种具体应用中，一个基本的要求就是总成本必须控制在一个合理的范围内。在大多数系统中，特别是家用电器，总成本必须同非控系统价格相当。
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1 S+ |2 d" U# W" {) d; `9 _    本文主要介绍采用摩托罗拉单片机实现低成本三相交流电机，三相直流无刷电机和通用电机的控制设计实例。
   
    无传感器的相位角通用电机驱动
   
5 w7 |$ G0 l4 }* ^1 M/ m. C    基于MC68HC05JJ6/MC68HC705JJ7单片机和MAC4DC可控硅的低成本相位角电机控制驱动系统示于图1。低成本单相功率控制板专门适用于转速从3000rpm到10000rpm的通用无刷电机。目前此类电机广泛用作家用电器中的马达，例如：真空吸尘器、洗碗机、手持电动工具及食品加工机。其工作模式为闭环调速。相对于常用的在电机轴上加装转速计的方案，所述电路则为一个无转速计的方案，转速的测量是由单片机没量电机电流来间接完成的。
   
1 k. D4 ~: J+ j; ]6 K    无传感器相位角驱动
   
  ~" p) ~& ]6 x* X5 M4 Y    电路的设计充分利用了单片机的资源从而使其原理图相当简单。这种低成本的单片机功能很强，足以完成驱动闭环无传感器相位角控制系统的所有工作。所有的功能仅由两种集成电路及很少的外围器件即可完成。因而使之成为电路板设计紧凑，且具有很好经济性的方案。
   
    这种设计的目的之一就是要在不使用转速计的情况下实现通用电机的低成本环速度控制。图1所示即为其电原理图。这种无传感器相位解驱动仅需两块集成电路，即一个单片机和一个运算放大器。
( C( m( \6 L1 x6 v   
    由图可见系统包含以下几个部分：单片机，电源，同步器，电流检测，功率器件。
   
    应特别注意的是电流检测和计算。因为此信号对无传感器算法十分重要。因此应选用具有非接地输入和高噪声抑制的差分运放。
   
  k4 B3 b5 ~+ k7 {# R* y: l" ~    无传感器算法
   
9 |) m& Y3 G0 A2 X* ~; v3 V    通用电机由可控硅制驱动时必须分成两相：a)当可控硅关断时，i=0
4 V  ]4 M- Q3 i" A# u# U   
    b)当可控硅开启时，v=e+z.i
   
    式中
8 L  r6 k! X0 E) k- g2 K   
7 D# C! T1 W* T2 O4 g/ _    e=反电动势（bemf)k.i.Ω
   
% y, o1 d. w" `" Y5 r    z=电机阻抗r+j.L.ω
   
, j9 O+ X3 ~) P& m4 k9 d    ω=主频
   
    Ω=电机速度
   
    k=电机常数
   
    r=线圈电阻
   
* N# r7 e/ E# e( T    v=（kΩ+r).i+j.L.ω.i
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" s4 ^$ L% H/ [3 w    Saber模拟模型可用来计算所有必要的算式及运行虚拟的无传感器相位角通用电机系统。这里从它的数据库中引用了一个标准的通用电机模型（dc_srs.sim)，并根据一个200瓦的通用电机参数进行了标定。
   
4 n. `5 t2 ]* a" k0 c* O" i    从模拟结果可证明，在交流过零点时检测的电流ito，除最大启动延迟为8ms情况下，仅跟转速有关。如果转速高于3000rpm，且启动延迟小于8.5ms，交流过零时的电流，对应给定的速度下，在较宽范围的负载变化时均为一常数。如果转速低于3000rpm，或启动延迟时间大于8.5ms，则需要修正。
   
( f+ ]' B' X" b  l    控制特性
   
    根据模拟结果，可对速度和电流的关系进行测量。在程序中可利用此特点，对应一种速度确定一个电流值。在无传感器相位角算法中，最重要的一点是电机的特性要好。电流必须在一固定启动延迟和一个合理的速度范围内，在过零点时进行测量。
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1 S( e2 M  a0 E6 z! q0 s    单片机的使用
   
    表1所示为进行传感器相位解驱动所需的存储器容量。同时，也要为单片机进行其它工作保留一定量的存储容量。
, S1 W6 s. A+ t4 d8 F* [8 s   
    表1 存储器用量
   
    可用容量 存储器 已用容量
8 w* I" S. P0 h% k; b    224字节 SRAM 43字节
! n0 e3 R4 Z. v& b( l0 T    6.1K字节 EPROM 1.5K字节
/ K7 G, y9 D  c, \8 J0 U   
    测试是利用一个200瓦的通用电机通过一个变速箱进行的。其结果是在启动后，当负载在10%幅度内变化时，其速率可保持恒定不变。
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1 P( B2 O$ F) [$ B" c: y    同时也做了负载变化90%情况的试验。在此情况下，速度降低1秒后，控制器便能使其恢复，并保持恒定。
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2 T  Q2 f" j0 x' b    基于MC68HC908MR24的低成本三相交流电机控制系统
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    这是一个建立于摩托罗拉的专门应用于电机控制的MC68HC908MR24单机基础上的低成本三相交流电机驱动设计实例。可适用于风扇、压缩机、泵、空调或其它类型的应用中。在此类应用时，系统的总成本是基本的要求而并不强求电机具有优异的动态特性。
   
) f( c( x) m5 W7 F    系统概念
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( g) j+ Y5 |6 T) h2 |; a: N    本系统设计用于在速度闭环回路下驱动三相交流电机。根据所期望的应用环境，压/频（V/F）控制算法是最佳选择。这是因为其它的控制方法不适合于低成本交流驱动。速度传感器的应用使得系统具有更好的速度驱动精度。
   
  A& Z- i2 {+ W7 \2 u    图2所示为一个标准的驱动系统。此系统包括如下几个部分：单片机控制板；三相转换器；反馈传感器，包括电机速度、直流总线电压、总线电流和过流状态测量；光电隔离器，用于功率驱动模块与单片机之间；电源。
   
5 k1 Z) p  A( {5 R    硬件设计
* C1 \- m& v- O7 c9 r   
    单片机控制板
   
. ^2 H! T) T/ U/ T    摩托罗拉单片机MC68 HC908MR24通过读取速度指令和反馈信号控制整个驱动系统，并根据预先设定好的算法，产生功率器件的PWM信号，以及用户界面的各种状态信号等。这种专用单片机仅需很少数量的外围器件即可。
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    三相转换器
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    三相转换器组成了系统的功率推动部分，其功能是用于将单片机产生的5VPMW信号转换为能驱动电机的高电压控制脉冲。在本设计方案中，选用了带有续流二极管的IGBT（隔离门双极晶体管），它具有良好的电流和高频特性，可使设计者利用高于人耳音频范围之上的16-20KHz的PWM脉冲来有效地驱动电机。
   
$ l, ]6 R4 D& i' W& s/ X* \, ^    反馈传感器
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    为使系统正常工作，必须具备能正确反应出直流总线电压，直流总线电流和电机速度的反馈信号。
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    直流总线电压用于提供过压保护信号，可用电阻分压实现简单的电压传感器。直流总线电流用于提供过流保护信号，而且在控制算法中也需用到直流总线电流值。电流的测量方法可在直流总线的电线回路上串入电流感应电阻。对于过流保护，可用一个比较器来产生一个出错信号，可用一个比较器来产生一个出错信号，并将其连到单片机PWM单元的出错输入脚。
1 i$ d+ x! d* c: v7 C3 ^2 A0 w% u   
, ^" v7 z0 Y" d& Q& A    对于闭环控制系统来说，速度传感器是必须的。交流测速仪可感测电机的实际速度。交流测速仪提供的是一种交流正弦波，其频率与电机速率成正比，且正弦信号可用一方波电路进行滤波，将其转换成具有逻辑电平的方波，然后将方波信号输入到单片机的定时器输入捕捉单元中。
   
    光电隔离为系统中控制部分和功率部分提供了电流隔离。六个光耦合器用以隔离电机控制PWM信号。而且，为保证可靠性，安全性和避免电线噪声，所有的反馈信号（包括电压，电流）都必须采用光电耦合器或光电隔离放大器进行隔离。
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: j* a7 _2 V7 \( z0 X: ~    软件设计
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8 {3 k* `5 l9 y$ F. I    电机控制任务按以下方式完成：根据所要求的速度要求计算出加速和减速斜率，电机实际速度同时由转速传感器测得。速度控制器根据速度误差信号（实际速度与要求的速度之差）产生电机频率，使电机速度接近要求。这样，在稳定状态时，电机实际速度就等于要求的速度，压频算式按照频率产生相应的电压值，然后由PWM模块产生六个输出信号并传送给功率驱动部分。
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" b: ~" e& J1 R# G# x- e; z. L! j    在电机减速阶段需要检测直流总线电压以防止过压，在必要时要进行保护功能。
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7 Q# Y+ W& t4 t8 b3 G& i9 d1 J& r    整个驱动要对电机控制错误进行保护。系统内要测量以下错误信号：直流总线过压；直流总线欠压；电机过流。
   
+ l0 `  z% W) `# _( C' t    如果以上任何一种错误出现，就必须关断PWM输出信号以保护系统内的功率驱动器件。
5 M  s8 T) Y$ s( @' m& c1 c) f   
    单片机的使用
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    表2 存储器的使用
   
% I. o7 b0 a0 G7 S" ^    存储器 MC68HC908MR24 容量 已用容量
    FLASH 24字节 3.7K字节
) K& _1 X) d+ \2 d) Z3 f1 m    RAM 768字节 82字节
   
0 S4 A5 I3 F6 W* E    表2所示为三相交流电机在闭环控制下所需的存储器容量。单片机的其余大部分容量仍可用于其它的任务。
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8 ?1 D# r) `+ R    采用MC68HC908MR24的低成本高效无传感器或直流无刷电机驱动
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    因为三相直流无刷（BLDC）电机具有高效性能和易于控制的特性，是低成本高效率速度驱动系统很好的选择。这种电机实际中的缺点是电机相位交流依赖于转子位置。如果采用传感器来感知转子位置，则必须将传感信号传送给控制单元。这样，就要在电机上附加引线，而这在某些应用中是不允许的。因此，至少有二种理由要求取消位置传感器：1.在传感器和控制单元之间加装附加连线的不可行性。
   
    2.位置传感器和连线的成本。
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; @" s  X1 L' \2 {    第一点还可能利用将电机机体集成的方式来解决，然而很大一部分的应用场合则需要无传感器的方案。
   
    一种很成熟的无传感器检测转子位置的方法就是，在过零点测量电机绕组产生的反电动势。即当三相绕组中某一组不加电时，测量其过零点时的反电动势。得到的信息再利用脉宽调制的方法处理，来控制相位电压。
   
    这种驱动方式用于一些在特定的速度和负载条件下简单的应用（如泵、压缩机、风扇等）。
   
    电机驱动系统模型
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7 l/ T# v) t; u5 T2 ~- M    为了解释反电动势测量技术原理，要根据基本的电路拓扑结构（如图3）建立一个简单的数学模型。
   
    电机驱动模型包括一个普通的三相功率模块加一个直流无刷电机。系统的电源由电压源（Ud）提供，集成在一起的6个半导体开关（SA/B/C t/b)提供矩形电压波形。此处假定半导体开关和二极管为理想器件，整个系统的零电平设定为直流总线电压的一半。这样，可简化计算出功率模块输出波形的数字表达式。
% }$ h0 Z/ p2 L( P2 _' u1 V   
    反电动势测量
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7 l7 K/ S" F7 C+ R) I0 S. u    反电动势测量技术是基于直流无刷电机在任何时候都仅有二相同时通电这一事实，因而第三相可用于测量反电动势。
   
    让我们假设A要和B相有电而C相无电的情况，此时C相无电流通过。由以下条件来表示
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$ r' n) A- V+ j$ r/ U8 S  I, X. t$ a    SAb,SBt←PWM
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6 a5 W4 L8 t2 a" f0 i# {; N    uVA=±1 / 2ud,uVA=±1 / 2Ud (1)
   
    iA=-iB,ic=0,dic=0
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' U8 q! m2 |# x7 q- x4 |    uiA+uiB+uic=0
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    由此条件可计算出C相电压为
   
    uVA=3 / 2 uic （2）
   
    C相电压可在功率模块C输出端和零电平获得。因此反电动势电压就可在过零点时获得。
" x& ~5 B: X9 E; a   
    同样，相A和相B也可得出相似结论
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    uvx=3 / 2uix……x=A,B,C (3)
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; A; f8 _  ~/ h    图4所示为0～360°周期内各相与电机绕组电压，图中长方形阴影表示等式（3）有效。换言之，反电动势可在此期间内测得。
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1 M1 ?/ R$ l/ D5 G  @/ O( W    系统概念
! i4 i; [) r  ]3 D9 z4 Y9 a7 j   
* [$ i+ T$ v% q0 X5 Y3 r( ~# ^    成本目标使得设计变得越来越简单化。
7 {! g  ^3 ?. m+ i( p   
    如前所述，反电动势过零检测可完成位置确认。电阻网络用于将测得的电压降低到0～15V的水平。简单的滤波器用于防止在IGBT信号转换时产生的高电压干扰。乘法器用来选择同电流交换相应的相位比较器输出，然后将此信号传至单片机的输入捕捉引脚。
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( ?; G% @9 B1 a; p8 n! C6 T! G    降压电阻（0.6欧姆/2瓦）用于测量由PWM转换的直流总线电流，并将得到的信号经速形放大至0～5V。单片机内部的模数转换器与PWM信号是同步的。这是为了避免IGBT开关时的尖峰，并简化电路。
* w: [( L0 a* |6 Q4 c) ]0 O6 [% ]   
    模数转换器也用于测量直流总线电压和速度设定，直流总线电压通过一个电阻网络降成5V电平。
   
    六个IGBT（与内置续流二极管封装在一起）和高压门驱动器组成了功率模块。驱动器可提供电平转换，以驱动通常电机驱动所采用的高压桥电路。PWM技术用来控制电机相位电压。
   
    为达到欧洲协会标准IEC555-1，采用了具有线路滤波和射频滤波器的普通电源（直接整流）。
4 c( ]8 H4 e; n) J" }! p   
( A$ M, }; R- q, u% r    控制算法
+ }$ A  ~- G6 Y& |   
5 l- V8 ]( L( H    控制过程包括5个阶段：定位阶段、加速阶段、稳定阶段、锁相环PLL捕获阶段和运行（相位锁定）阶段。
5 C0 r3 U6 y; x9 w. D   
' W: D# o* ]+ [4 C) a5 D    定位阶段
1 D* L: G: P( T4 T, E" G7 t3 o   
% B3 n3 P6 v# q) K* X    在电机启动前，在向两相加电时，有一段很短的时间（取决于电机电子时间常数），电流控制器将电流保持在一个预先设定的限度同，内，引阶段对于产生大启动力矩是十分必要的。
   
    加速
0 a$ z1 j  o, v' i   
) h; C& j3 Z* [2 K. O. T    此时，电机启动并达到它的工作速度，电流控制器将保证电流在最大限度内以确保转换不会被锁死。此时用反电动势测量技术测量转子位置。但无论如何，驱动必须在无反馈的条件下开始，这是由于所产生的电压幅度是与电机速度成比例的。因而在电机速度很低的情况下，无法测量到反电动势，必须使用一个特别的启动算法。
   
    稳定
   
; J$ O, Y6 B* Q! J$ ~9 u7 v    此时电机在一定速度下运行了一小段时间，电机转速在反电动势反馈同步发生前已稳定。
, U% Z  N: P. R; M( H   
    锁相环捕获
   
    此时电流控制器关断，仅保留过流检测功能，电机由电压源供电。这种交换必须小心。实际的PWM占空比（相位电压）开始减小，直到在设定的时间范围内可检测到若干过零点，其流低速度必须按需调整以防止产生系统共振。
" O6 m- v) x( B3 j9 S0 R1 {: V   
    运行（锁相环锁定）
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$ a5 |& a) M( r. ]  R    在此阶段必须达到以下条件：在一定的时间范围内必须检测到过零点；在一个为换周期内的电流峰值必须在一个设定的限度内。
   
$ I; Q; g; L9 e9 X. z# O    这样，锁相环控制器保持电机在设定的速度下高效地运行，并持续进行电流检测、过流检测和电机失速检测。
   
" l  L! K1 O/ K; S: L$ ?& b    基于HC08芯核的单片机使得控制这样的低成本应用易如反掌。剩下的存储空间（大于20K字节）和性能余量足以完成其它各项应用目的。它使得设计者能完成更加高级的电机控制驱动，完成其它各种客户要求的任务（如键盘控制和显示控制）。
* \  b: d8 v4 G' K) h# e/ l   
    结论
$ W& g; h" b% p: t+ Z4 |5 f   
* v3 j( N" u7 c& b( x    相对来说，用电子方式控制电机驱动的趋势也是刚刚开始。现在各电机和半导体公司都在致力于用变频驱动方式来取代定速电机。本文所述的低成本系统的变频驱动方案就是希望能在全世界范围内的节能浪潮中有所贡献。

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价格贵，使用不稳定

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