北京永光高特微電機有限公司
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基于C8051F320的無位置傳感器無刷直流電動機控制技術

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4480


  摘要:介紹一種基于C8051F320的無位置傳感器無刷直流電動機控制系統的設計,系統采用反電勢過零檢測法定轉子位置信息,完成了速度、電流的雙閉環控制。結合C8051F320具有的多機9位UART通信模式,利用Labview80實現了對多臺電機的測試與PI參數整定功能。樣機實驗表明,該系統結構簡單,運行可靠,調速性能良好。

0引  言

   隨著磁性材料、電力電子器件和控制技術的發展,無刷直流電動機的應用越來越廣泛。無刷直流電動機與直流電動機和交流異步電動機相比,具有結構簡單、調速特性好、無換向器和效率高的特點。因為無刷直流電動機沒有換向器,需要采取一定措施獲取轉子位置信息。而獲取轉子位置信息的方法通常有兩種,一種是采用傳感器獲取轉子位置,這種方法簡單易行,但傳感器易受環境影響,在高溫等環境下,性能會不穩定,甚至失效,同時連接線較多。另一種是利用測量得到的電流、電壓、電機的基本方程、觀測器和電機的反電勢等獲得轉子位置信息。

   在第二種方法中,利用反電勢過零點獲得轉子位置信息的“反電勢法”簡單可行,文中利用該方法設計了一種用于牙鉆機的無位置傳感器無刷直流電動機(簡稱牙鉆電機)控制系統,并結合Labvlew 8.0完成對系統的測試及參數整定。

1反電勢過零檢測

   反電勢過零檢測法是目前技術最成熟,實現最簡單,應用最廣泛的轉子位置檢測方法。文獻[1]指出在方波無刷直流電動機中,繞組反電勢是正負交變的梯形波,當某相繞組的反電勢過零時,轉子直軸與該相繞組軸線重合。由圖1可知,只要檢測到各反電勢的過零點,延遲30°電角度,就可獲得對應的換相時刻,這就是反電勢法檢測無刷直流電動機轉子位置換相工作原理。

            

(a)三相反電勢和電流波形            (b)反電勢法換相原理

圖1反電勢法換相原理

   本系統牙鉆電機本體已將中線引出,所以利用位置檢測電路便可以獲得電機位置信號。圖2為電機A相繞組位置檢測電路,其余兩相與A相同。

 

           圖2位置檢測電路

   由于采用PWM方式,A中往往含有高頻調制信號。影響電壓比較器的正常工作,因此需要采用濾波器對端電壓信號A進行濾波。圖2中濾波參數決定著最后得到的方波信號能否準確地反映轉子位置,所以設計時要格外注意。首先,保證濾波器的相移盡量小,圖2中采用的濾波電路相移很小,對檢測到信號影響也較??;其次,因元器件存在一定的誤差,在選用R、C元件時,應保證三相對應的電阻和電容值差別很小,否則會引起三相濾波器的移相角不一致,從而對電機運行性能帶來不利影響。

2控制原理

   系統由電流反饋控制環及速度反饋控制環構成雙閉環系統。電機轉速通過單片機檢測位置檢測電路獲得的轉子位置信息息HA、HB、Hc計算得到,系統的內環和外環均由單片機根據速度給定值與反饋值比較運算得到電流給定值,實際為對應的電機給定電壓值。內環為電流環,對速度控制器的輸出電流給定值與經采樣電阻采樣后送A/D轉換得到的電流值,通過適當的PI算法,給出對應的PWM信號,實現電機調速。電機的轉向控制由給定信號經單片機處理后控制對應開關管導通順序,完成正反轉功能。由于將MOSFET的實際電流采樣情況送到單片機,當三相橋的運行電流超過給定值時,單片機可以靈活地進行保護控制。

   系統選用C8051F320作為控制核心。該處理器是完全集成的混合信號系統級芯片(SoC),具有與8051兼容的高速CIP一5l內核(運算速度高達25MIPS)。擁有豐富的片內外資源,其上集成有A/D,可編程增益放大器;電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SM Bus/12C、USB、UATT、PCA及看門狗等。這些外設的高度集成,為設計小體積、低功耗、高性能的系統提供了極大的方便,同時可以大大降低系統整體成本。系統原理圖如圖3所示。

    圖3系統原理框圖

   對于無位置傳感器無刷直流電動機而言,在電機靜止或轉速很低的情況下,位置檢測電路無法通過檢測反電勢過零點準確獲得轉子位置信息,因此,需要采用一定的起動方法使電機運轉到可以穩定獲得反電勢過零點的速度。由于牙鉆電機轉子慣量小,同時考慮成本及復雜程度,本系統采用一種開環起動技術完成電機由靜止到穩定產生過零檢測信號的過渡。開環起動技術現通常稱為“三段式”起動技術,即首先對轉子進行定位,然后采用外同步的方式,使電機逐漸加速至預定速度,當可以穩定得到反電勢過零信號時,切換到自同步方式進行。圖4給出了無位置傳感器無刷直流電動機起動時和切換到自同步狀態后的端電壓過零點檢測波形。

     

(a)起動過程        (b)自同步運行        (c)樣機

圖4實驗波形及樣機

3轉速電流雙閉環設計

   系統采用轉速、電流雙閉環設計,保證電機運行穩定,提高其動態性能。C8051F320是系統的控制核心,其主程序主要完成系統初始化,以及其它上層程序,初始化模塊首先完成看門狗(WDT)、定時器、PCA、串口、外部中斷以及A/D采樣的設置。起動/停止、方向、速度給定既可以由I/0和A/D由外部獲得,也可以有上位機通過串行總線傳輸。

   圖5程序流程圖

   雙閉環控制采用數字PI控制,離散形式的PI表達式為: △U=Kp[e(k)一e(k一1)]+Ki[e(k)](1)式中:Kp、Ki為比例和積分系數;e(k)、e(k一1)為第k、k一1次時的期望偏差值。比例環節作用是對信號的偏差作出反應,Kp越大,控制作用越強,但是過大的Kp會導致系統振蕩。積分環節可以消除靜態誤差,但也會降低系統響應速度。對于無刷直流電動機調速系統,轉速調節器是整個系統的外環,它使電機轉速跟隨給定值變化,無靜態誤差,并且其輸出的電流值是允許的最大電流值,對負載的變化起到抗干擾的作用。

   由于直流無刷電動機具有線性度好的特點,所以可以整定出一組較為合適的PI參數作為該牙鉆電機的通用參數。本系統采用實驗經驗法根據經驗公式及實際試驗效果得到PI控制參數。速度環的采樣周期預設為2 ms,電流環的采樣周期預設與PWM脈寬調制輸出的頻率一致,為0.2 ms。首先將控制選擇為純比例控制器,構成閉環運行,然后逐步減小比例度,即加大系數Kp,直到系統對輸入的階躍信號的響應出現臨界振蕩,此時比例系數記為Kr,臨界振蕩周期記為T。根據經驗公式可以得到: (2)

   由此可得出速度與電流的PI參數分別為:Kps=8.6,Kis=O.29,Kpi=5.1,Kii=0.17。

   因此,只要適當的選取以上參數,就可以使系統獲得良好性能。

4基于串口的多通道PI參數整定

   為了便于生產過程中同時完成對多個電機的參數整定,提高生產效率,系統使用C805lF320的9位UART多機通信方式,通過上位機對多個電機同時進行PI參數整定及測試。當主機發送數據給一個或多個從機時,它先發送一個用于選擇目標的地址字節。地址字節與數據字節區別是:地址字節第9位為邏輯‘1’;數據字節的第9位總是為邏輯‘0’。

   在9位UART模式下,每個數據字節共使用11位:1個起始位、8個數據位、1個可編程的第9位和1個停止位。第9位發送數據位由TB80中的值決定,用戶利用軟件對其賦值。它可以被賦值為PSW中的奇偶位P(用于錯誤檢測),或用于多處理器通信。在接收時,第9位數據位進入RB80,停止位被忽略。當執行一條向SBUFO寄存器寫入一個數據字節的指令時,UART開始發送數據。在發送結束時(停止位開始)發送中斷標志TI0被置‘1’。在接收允許位REN0被置‘l’后,數據接收可以在任何時刻開始。收到停止位后如果滿足下述條件則數據字節將被送人接收寄存器SBUFO:RI0為邏輯‘O’;如果MCE0為邏輯‘l’,則第9位必須為邏輯‘l’。如果從機的MCE0位被置為‘1’,則只有當UART接收到第9位為邏輯‘1’并收到有效的停止位后UART才會產生中斷。在UART的中斷處理程序

中,如圖5所示,軟件將接收到的地址與從機自身設置的8位地址進行比較。如果地址匹配,從機將清除MCEO位以允許后面接收數據字節時產生中斷。未被尋址的從機仍保持其MCEO位為‘l’,在收到后續的數據字節時不產生中斷,從而忽略收到的數據。一旦接收完整個消息,被尋址的從機將它的MCE0位重新置為‘1’,忽略所有數據傳輸,直到收到下一個尋址字節。

    圖5程序流程圖

   系統采用以上多機通信原理,設計上位機軟件,完成對多個牙鉆電機的參數整定及狀態測試,在提高生產效率的同時,保證了產品的質量。

5實驗結果

本系統利用Labvlew 8 0設計了對牙鉆電機閉環PI參數整定及測試的上位機軟件,同時對10臺27 V/10 W、額定轉速21 000 r/min、極對數p=2的牙鉆電機進行參數整定及測試。試驗結果如圖6所示。

  圖6 現場測試結果

6結語

測試結果表明,本系統對無位置傳感器無刷直流電動機有良好的控制效果,電機起動和切換至自同步過程平穩,無振動和失步現象。同時該系統具有結構簡單,穩定性高,可擴展性強的特點,友好的人機交互方式,大大提高了生產效率,該控制器也可以用于多種中小型電機的控制。目前,該無位置傳感器無刷直流牙鉆電機控制器已交付生產廠家,反映良好。

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