電機(jī)控制應(yīng)用方案

電機(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是耗電大戶，其中大多數(shù)電機(jī)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(jī)床。升降機(jī)中使用，而且越來越多地應(yīng)用到家用電器中，如洗衣機(jī)、壓縮機(jī)、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(jī)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(jī)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(jī)實現(xiàn)低成本三相交流電機(jī)，三相直流無刷電機(jī)和通用電機(jī)的控制設(shè)計實例。

無傳感器的相位角通用電機(jī)驅(qū)動

基于MC68HC05JJ6/MC68HC705JJ7單片機(jī)和MAC4DC可控硅的低成本相位角電機(jī)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(jī)。目前此類電機(jī)廣泛用作家用電器中的馬達(dá)，例如：真空吸塵器、洗碗機(jī)、手持電動工具及食品加工機(jī)。其工作模式為閉環(huán)調(diào)速。相對于常用的在電機(jī)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(jī)沒量電機(jī)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(jī)的資源從而使其原理圖相當(dāng)簡單。這種低成本的單片機(jī)功能很強(qiáng)，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(jì)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(jī)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(jī)和一個運(yùn)算放大器。

由圖可見系統(tǒng)包含以下幾個部分：單片機(jī)，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(yùn)放。

無傳感器算法

通用電機(jī)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(jī)阻抗r+j.L.ω

ω=主頻

Ω=電機(jī)速度

k=電機(jī)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(yùn)行虛擬的無傳感器相位角通用電機(jī)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(jī)模型（dc_srs.sim)，并根據(jù)一個200瓦的通用電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)控制的MC68HC908MR24單機(jī)基礎(chǔ)上的低成本三相交流電機(jī)驅(qū)動設(shè)計實例。可適用于風(fēng)扇、壓縮機(jī)、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(qiáng)求電機(jī)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(jī)。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(jī)控制板；三相轉(zhuǎn)換器；反饋傳感器，包括電機(jī)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(jī)之間；電源。

硬件設(shè)計

單片機(jī)控制板

摩托羅拉單片機(jī)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(jī)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(jī)產(chǎn)生的5VPMW信號轉(zhuǎn)換為能驅(qū)動電機(jī)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(jī)。

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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)頻率，使電機(jī)速度接近要求。這樣，在穩(wěn)定狀態(tài)時，電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的使用

表2 存儲器的使用

表2所示為三相交流電機(jī)在閉環(huán)控制下所需的存儲器容量。單片機(jī)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(jī)驅(qū)動

因為三相直流無刷（BLDC）電機(jī)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(jī)實際中的缺點是電機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)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(jī)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(jī)、風(fēng)扇等）。

電機(jī)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(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動所采用的高壓橋電路。PWM技術(shù)用來控制電機(jī)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(yùn)行（相位鎖定）階段。

定位階段

在電機(jī)啟動前，在向兩相加電時，有一段很短的時間（取決于電機(jī)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(jī)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(jī)速度成比例的。因而在電機(jī)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(jī)在一定速度下運(yùn)行了一小段時間，電機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)在設(shè)定的速度下高效地運(yùn)行，并持續(xù)進(jìn)行電流檢測、過流檢測和電機(jī)失速檢測。

基于HC08芯核的單片機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動的趨勢也是剛剛開始?，F(xiàn)在各電機(jī)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(jī)。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)。