基于單片機的無刷直流電機控制系統的研究與設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 2Ax 系列MCU（單片機），該單片機是該公司設計、生產的高性能 8 位系列 MCU，其指令系統與 MCS51 兼容，內部功能、引腳功能、引腳排列以及引腳的電氣特性與 AT89S52 基本兼容。 LS052A 系列 MCU 采用新型的發明專利技術 L 體系結構技術實現了多核并發處理引擎，支持同時并發地執行三道程序。 LS 主要功能特性 LS052Ax 片內包含 2K～ 64K 字節程序存儲器 (Flash)， 1K～ 16K字節數據存儲器 (SRAM)， 4 個 16 位定 時 /計數器， 16 個中斷源 /兩級中斷機制，并發三道處理引擎， 36 個 I/O 端口驅動器， 2 個全雙工串行通信端口， 1個 SPI 主從模式通信端口， 2 個 I2C 主從模式通信端口， 1 個一線通信主模式通信端口， 7 通道空間矢量 SVPWM， 4/8 路 10 位精度 ADC， 1 個可編程看門狗，振蕩器及時鐘電路。 LS052Ax 的工作頻率為 0Hz～ 40MHz，并支持空閑 1，空閑 2 和掉電三種軟件可設置的節電工作方式。空閑方式 1 僅停止 CPU 的工作，但維持 SRAM、定時器 /計數器、串行通信口等外設機制繼續工作；空閑方式2 停止振蕩器工作，切斷片內所有 時鐘， SRAM 中的內容維持不變。掉電模式切斷片內所有供電線路，僅維持喚醒值班模塊工作， SRAM 中的內容維持不變，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 LS052Ax 采用新型的發明專利技術 L 體系結構技術，實現了多核多任務并行處理，可以只運行單道程序，也可同時執行關聯或非關聯的三道程序。執行 1 道程序的性能是兼容芯片的 倍，同時執行三道程序的處理能力最高可達到兼容芯片的 倍。 ? 新型體系結構－ L 結構 [在此處鍵入 ] 9 ? 3 核并發處理引擎，可并發執行 3 道程序 ? 指令兼容 MCS51 ? 每個指令周期為 6 個 時鐘周期 ? 2～ 64KB 內部 Flash 程序存儲器， 20200 次擦寫周期 ? 2～ 16KB 內部 SRAM ? 寬電壓： ～ 工作電壓 ? 0Hz～ 40MHz 工作頻率 ? 兩級程序存儲器加密機制 ? 36 個可編程 I/O 端口， 20mA 吸入電流，可直接驅動 LED ? 2 級中斷機制 ? 16 個中斷源， 2～ 4 個外部中斷 ? 4 個 16 位定時器 /計數器 ? 2 個全雙工 UART 通信端口 ? 空間矢量 PWM(SVPWM), 3 相雙向 6 路， 1 路啟停控制 ? 4/8 路 10 位精度 ADC，轉換速率 200KBPS ? 1 個可編程看門狗 ? 支持自編程功 能 ? SPI 編程接口 ? 溫度范圍：－ 45 ℃～＋ 85℃ 本次設計選用該芯片的緣由 本次設計的控制芯片是 由 xxx 有限公司提供的， 該公司是 LS 系列芯片的西北代理，該公司經理介紹，這款芯片是一款 51 內核的 8 位單片機，但其性能遠遠超越 51 單片機，在某種程度上可以和 DSP 等控制芯片媲美，可以滿足本次設計的要求，更重要的是它的價格很低，具有很大的發展潛力。 [在此處鍵入 ] 10 系統控制策略分析論證 無刷直流電機的控制方法 a. 有位置傳感器控制方式 有位置傳感器控制方式，指在無刷直流電機定子上安裝位置傳感器來檢測轉子在運轉過程中的位置，將轉子磁極的位置信號轉換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信息，來控制電子換相電路中的功率器件的開關狀態，保證電機各相繞組按順序導通，在空間形成跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子連續不斷地旋轉。霍爾位置傳感器是目前比較成熟的 IC 器件，具有體積小、簡單可靠、安裝靈活方便、易于實現機電一體化等優點，是目前應用最為廣泛的位置傳感器。 b. 無位置傳感器控制方式 無位置傳感器控制方式是指無刷直流電機不直接安裝轉子位置傳感器，但在電機運轉過程中，控制電機換相的轉子位置信號還是需要檢測的， 因此，無刷直流電機無位置傳感器控制研究的關鍵是架構轉子位置信號檢測電路，通過軟硬件間接獲得可靠的轉子位置信號。為此，國內外的研究人員進行了大量的研究工作，提出了很多種位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量進行轉子位置的估算，其中較為成熟的有 : 反電勢過零點檢測法 , 反電勢 3 次諧波積分法 , 續流二極管法 等 [2]。 兩種控制方式的比較 a. 有位置傳感器 優點： (1) 因為有霍爾位置傳感器，所以電機換相準確，轉子位置檢測的準確度不受電機轉速的影響； (2) 不需要外加的轉子位置檢測電路， 硬件電路簡單； (3) 電機換相控制編程簡單，不需要處理濾波延遲等問題。 [在此處鍵入 ] 11 缺點： (1) 增大了電機的體積。安裝了位置傳感器后，一方面電機結構變復雜了，另一方面電機的體積相對來說變大了，妨礙了電機的小型化； (2) 增加了電機成本。容量在數百瓦以下的小容量方波型無刷直流電機常用的霍爾 位置傳感器的成本相對于電機本體來說所占比例比較大； (3) 傳感器的輸出信號易受到干擾。傳感器的輸出信號都是弱電信號，在高溫、冷凍、濕度大、有腐蝕物質、空氣污濁等工作環境及振動、高速運行等工作條件下，都會降低傳感器的可靠性。若傳感器損壞，還可能連鎖反應引起逆變 器等器件的損壞； (4) 傳感器的安裝精度對電機的運行性能影響很大，相對增加了生產工藝的難度。 b. 無位置傳感器 優點： (1) 降低成本，減小電機的體積； (2) 抗干擾能力強，能在高溫、濕度大、有腐蝕物質、空氣污濁的環境中工作； (3) 無傳感器安裝的問題，減小電機的生產難度。 缺點： (1) 如反電勢法等轉子位置檢測方法在低速時檢測準確度都不高，需要其他方法輔助電機起動； (2) 由于各種濾波、比較電路引起的相位延遲必須在算法中加以補償，所以算法編程難度較大； (3) 由于架構了轉子位置檢測電路，所以增加了硬件的復雜性。 本次設計所采用的方法 本次設計本著設計一款低成本的控制器的宗旨，在認真分析各種控制方式的優缺點之后，選擇了無傳感器方式下的 基于 SPWM 的變壓變頻開環控制方法， SPWM 生成的方式采用規則采樣法，并且為了克服一些[在此處鍵入 ] 12 其他方面的不足，采用較為復雜的分段同步調制。 這種方法與傳統的無刷直流電機控制方法有所不同，它 一般 用來控制異步電機和同步電機的[5]，但由于小功率無刷直流電機的空間磁場接近正弦波 [6]，可以當作永磁同步電機來控制，故本次設計采用變壓變頻控制方法。 這種控制方法被廣泛應用于調速性能要求不高的場合 [8]。 這種方法是利用逆變器產生 頻率逐漸增加的三相互差 120 度的交流電壓，三相交流電加在電機定子繞組上產生三相正弦電流進而在電機部產生內圓形旋轉磁場，此圓形旋轉磁場與電機轉子永磁體所產生的磁場互相作用帶動轉子旋轉，最終達到電機的同步運行。 [在此處鍵入 ] 13 第 3 章 PSIM 仿真 PSIM 仿真框圖 如圖 31 所示為 SPWM 調制波的 PSIM 仿真框圖， 其中比較器模塊的輸出模擬單片機發出波形，主電路同實際電路相同， 三相對稱阻感負載模擬電機，其參數和實際電機參數相同。 圖 31 PSIM 仿真圖 [在此處鍵入 ] 14 仿真波形 及分析 載波比 N=63 如圖 32（ a）所示為載波比 N=63 時電機的三相電流波形，可以看出電流波形 比較光滑 接近正弦波。如圖 32（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數倍次 附近頻率的諧波 ， 諧波次數 高 且幅值低 ，對電機影響較小。 圖 32（ a）電機三相電流波形 圖 32（ b）電機三相電流波形 FFT 分析 如圖 33 所示為電機三相電壓仿真波形， 可以看到， 輸出波形和理論分析一致為“品”字波形 且三相 電壓互差 120 度 。 [在此處鍵入 ] 15 圖 33 電機三相電壓仿真波形 如圖 34 所示為單片機發出 SPWM 波形仿真 ，可以看出，波形比較密集，開關頻率高。 圖 34 單片機發出波形仿真 載波比 N=33 如圖 35（ a）所示為載波比 N=33 時電機的三相電流波形，可以看出電流波形接近正弦波 ，相比 N=63 該波形 沒有那么平滑 。如圖 35（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形僅含載波頻率整數倍次 附近頻率諧波 ， 諧波次數較高， 幅值較低， 對電機影響較小。 [在此處鍵入 ] 16 圖 35（ a） N=33 時電機三相電流波形 圖 35（ b） N=33 時電機三相電流波形 FFT 分析 如圖 36 所示為電機三相電壓仿真波形， 可以看出，輸出波形相比變得稀疏，波 形仍為“品”字波形 ，相位保持不變 。 [在此處鍵入 ] 17 圖 36 電機三相電壓仿真波形 如圖 37 所示為單片機發出 SPWM 波形仿真 ，可以看到波形相對稀疏，開關頻率 降 低 ，這有效中和了調制波頻率增加帶來的開關頻率加大 。 圖 37 單片機發出波形仿真 載波比 N=21 如圖 38（ a）所示為載波比 N=21 時電機的三相電流波形，電流波形接近正弦波 但相比來 說波形變得更為粗糙 ，這是因為載波比減小的緣故 。如圖 38（ b）為三相電流波形的 FFT 分析，可以看出，電流波形 含載波頻率整數倍次 附近頻率諧波 ，諧波幅值 相比有所增加 但仍然可以 接受 。 [在此處鍵入 ] 18 38（ a） N=21 時三相電流波形 38（ b） N=21 時三相電流波形 FFT 分析 如圖 39（ a）所示為電機三相電壓仿真波形 ，可以看出，輸出波形形狀良好， 相比變得更為稀疏 。 [在此處鍵入 ] 19 圖 39 三相電壓仿真波形 如圖 310 所示為單片機發出 SPWM 波形仿真，可以看到波形相對稀疏，開關頻率更低 ， 可以看到減小載波比減小了開關頻率，降低了單片機的壓力，但同時是以犧牲精度為代價的 。 圖 310 單片機管腳發出波形仿真 仿真總結 此次仿真采用 PSIM 軟件，該軟件繪制原理圖方便，容易上手， 仿真主要對 控制系統的原理進行了仿真。 此次設計采用的基本原理是 SPWM 調制波形，在仿真中，采用比較器來生成 SPWM 波形，其正向輸入為調制波即正弦波，反向輸入為載波即三角波，當調制波大于載波時輸出為高，當調制波小于載波時輸出為[在此處鍵入 ] 20 低。實際上仿真中采用的方法是嚴格的自然采樣法，這種方法生成 SPWM是最接近理想值得，然而在實際中用單片機發出 SPWM 波形是采用規則采樣法。兩種方法都能很好生成 SPWM 波形，只是規則采樣法精度比自然采樣法稍遜，但是對于單片機來說，規則采樣法的計算速度遠遠高于自然采樣法的計算速度，這是因為自然采樣法在 求解的過程中需要解出超越方程的根。 另外，本次設計采用分段同步調制，仿真中對不同的 載波比都進行了仿真，從結果可以看出，仿真結果和理論分析幾乎相差無幾，這對后面的硬件調試起到了很好的指導作用。 [在此處鍵入 ] 21 第 4 章 系統的硬件設計 硬件系統總體設計 硬件系統包括單片機控制模塊， PCB 電源模塊，驅動電路模塊以及三相逆變電路模塊。總體框圖如圖 41 所示： LS 0 5 2 AX6 路 P W M 波形驅動電路 逆變電路12v直流電源M降壓為 10 v降壓為 5 v圖 41 系統總體框圖 電源模塊設計 直流電源采用常用的 12v 電源模塊，經過兩個降壓芯片 7815 和 7805降壓分別得到 5v 直流給單片機供電，和 10v 直流給驅動電路供電，同時12v 直流電作為逆變電路的直流側電壓源。電源模塊部分電路圖如 42 所示： 圖 42 電源模塊電路圖 [在此處鍵入 ] 22 單片機控制模塊 單片機控制模塊主要 應用了 LS0T52AX 的全比較單元模塊，生成 6路 PWM 波形 （ P20P25） 作為驅動電路的輸入 。單片機控制模塊部分電路圖如 43 所示： 圖 43 單片機控制模塊 驅動電路設計 IR2101 是雙通道、柵極驅動、高壓高速功率驅動器，該器件采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了邏輯電路對 功率器件的控制要求，同時提高了驅動電路的可靠性。同時上管采用外部自舉電容上電，使驅動電源數目較其他 IC 驅動大大減少，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數目，降低了產品成本提高了系統可靠性。 IR2101 主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅動電壓范圍 10～ 20 V；邏輯電源范圍 5～ 20V，且邏輯電源地和功率地之間允許 +5V的偏移量；獨立的低端和高端輸入通道。 美國 IR 公司生產的 I