三相電動機(jī)編程控制工作原理分析

本文介紹了采用Renesas公司MC16C/28系列的CPU產(chǎn)品,運用120^o 梯形波交變,通過電動機(jī)感應(yīng)電壓的過零點來估測轉(zhuǎn)子位置,從而實現(xiàn)表面安裝永磁式同步電動機(jī)（SPMSM）的無位置傳感器型驅(qū)動的方法。

通過變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)對交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行數(shù)字控制是電動機(jī)控制的發(fā)展趨勢,永磁式同步電動機(jī)（PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于控制、性能優(yōu)良等優(yōu)點。用單片機(jī)對電動機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制是實現(xiàn)電動機(jī)數(shù)字控制的最常用的手段。

電動機(jī)控制

圖1   三相電動機(jī)驅(qū)動

圖2  電動機(jī)控制硬件框圖

逆變器控制
電能（商用電源）一般是通過一個電源系統(tǒng)來提供的。在這種場合,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精確的水平上。如果把一個商用電源直接提供給電動機(jī)的負(fù)載,則感應(yīng)式電動機(jī)（IM）可以被起動,而同步電動機(jī)（比如永磁式同步電動機(jī)PMSM）則不能被起動。
在逆變器控制過程中,商用電源未與負(fù)載相連。一個轉(zhuǎn)換器件首先把交流（AC）電流轉(zhuǎn)換成直流（DC）電源,然而再由一個逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源,以便向電動機(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)載和擾動來控制的,則這將使得同步電動機(jī)能夠起動和旋轉(zhuǎn),并達(dá)到節(jié)能的效果。

表1 控制方法


表2 A/D轉(zhuǎn)換

表3 中斷功能

感應(yīng)電壓
電動機(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機(jī)并旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的軸時,燈將會發(fā)光。這是因為產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢的緣故,而產(chǎn)生的電壓就被稱為“感應(yīng)電壓”。
當(dāng)電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時,將不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。因此,當(dāng)起動電動機(jī)時,將強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^o正弦波交變的電動機(jī)控制中,由于電動機(jī)中有電流連續(xù)流過,故不能直接監(jiān)視電動機(jī)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。因此,在無位置傳感器的控制中,轉(zhuǎn)子位置是通過電動機(jī)電流來估測的。

用于電動機(jī)控制的硬件和軟件規(guī)范

硬件構(gòu)成
  表面安裝永磁式同步電動機(jī)（SPMSM）
  A/D轉(zhuǎn)換器
  三相PWM輸出
  感應(yīng)電壓的零點檢測
四部分組成的框圖示于圖2。
軟件功能
軟件控制示于表1。

用于電動機(jī)控制的CPU及其周圍設(shè)備的功能說明
A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換說明見表2。

三相PWM輸出
  采用鋸齒波來進(jìn)行調(diào)制和采用了三相模式0來實現(xiàn)120^o交變驅(qū)動電機(jī)。
  在采用梯形波的120^o交變中,轉(zhuǎn)速基本與電壓成正比。

三相電動機(jī)感應(yīng)電壓的過零點檢測
在本軟件中,感應(yīng)電壓的過零點是通過按表3對外部中斷功能進(jìn)行配置的方法來檢測的。

用梯形波交變實現(xiàn)SPMSM的無位置傳感器型

驅(qū)動的軟件描述
軟件描述了如何使用梯形波的120^o交變來實現(xiàn)SPMSM的無傳感器型驅(qū)動。內(nèi)容包括： 
 (1)由電動機(jī)中的感應(yīng)電壓來檢測轉(zhuǎn)子位置和采用梯形波的120^o  交控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速度在±500 rpm~3000 rpm范圍。
 (2)對8個控制模塊的描述。
    A/D轉(zhuǎn)換器
    感應(yīng)電壓的檢測
    實際轉(zhuǎn)速的計算
    目標(biāo)轉(zhuǎn)速的計算
    PWN占空比的計算
    確定輸出模式
    初始啟動處理
    其他一些CPU關(guān)于系統(tǒng)異常動作的監(jiān)測和檢測。
 (3)CPU寄存器的存儲變換
CPU具有13個寄存器：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)先級寄存器、預(yù)留域寄存器。
存儲變換包括：
    線性地址空間,固定中斷的矢量,內(nèi)部RAM,SFR區(qū)域,特殊的頁面矢量等的地址分配。
    用于本軟件的存儲變換和段配置
(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0－2的設(shè)置
    電動機(jī)感應(yīng)電壓檢測
    三相輸出PWM設(shè)置（24個寄存器）
(6)通過120°梯形波交變來實現(xiàn)SPMSM無傳感器型驅(qū)動控制流程
    用于通過120°梯形波交變來實現(xiàn)SPMSM的無傳感器型驅(qū)動的主處理
    初始化處理
    PWM中斷處理
    停止處理
    啟動處理
    正常處理
　　實際轉(zhuǎn)速計算處理
    轉(zhuǎn)速命令計算處理
    總線電壓計算處理
    電動機(jī)鎖定檢測處理
    停止檢測處理。