基于R5F212L4 的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 軍，鐘名宏，杜澤華

(江西理工大學(xué)，江西贛州341000)

0 引 言

無刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲低、調(diào)速和起動(dòng)特性好、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、醫(yī)療器械及家電等方向應(yīng)用越來越廣泛。無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)本體、位置傳感器、電子開關(guān)電路［1］。應(yīng)用中有無位置傳感器和有位置傳感器兩種系統(tǒng)之分，兩者有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合場(chǎng)合選取合適方案。FCM8202 是一款硬件實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)SVPWM 驅(qū)動(dòng)的芯片，性能穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、噪聲小、效率高、實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)該FCM8202 價(jià)格高的缺點(diǎn)，提出一種基于瑞薩R5F212L4 的無刷直流電動(dòng)機(jī)SVPWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也大大降低了成本，還具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、計(jì)算量小，方便添加其他功能模塊多種優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)使用方波型無刷直流電動(dòng)機(jī)，文中沒有特別聲明時(shí)，出現(xiàn)的角度為電角度，周期為電周期。

1 系統(tǒng)控制策略及硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用有霍爾傳感器電機(jī)，設(shè)計(jì)方案為三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，即速度閉環(huán)和正弦波相位閉環(huán)。閉環(huán)一、根據(jù)霍爾周期計(jì)算瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，與速度參考值比較得到速度誤差信號(hào)，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)控制器，輸出控制增大或減小占空比;閉環(huán)二、轉(zhuǎn)子每60°更新霍爾信號(hào)時(shí)，軟件實(shí)施強(qiáng)制矯正，輸出正弦波電壓相位，使電壓相位與轉(zhuǎn)子位置相對(duì)應(yīng);閉環(huán)三，通過對(duì)三相電路的某相(本文取A 相)下管電流檢測(cè)，獲得其上升沿過零點(diǎn)，結(jié)合計(jì)時(shí)器計(jì)算此時(shí)角度，如果滯后反電動(dòng)勢(shì)相位，則使輸入電壓超前一個(gè)單位，使電流相位與反電動(dòng)勢(shì)的相位差不斷減小，直至為零，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)。通過以上方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)速平滑。方案設(shè)計(jì)的硬件控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的α 是離散的角度時(shí)刻。系統(tǒng)主控芯片采用R5F212L4，內(nèi)置閃存，最高工作頻率20 MHz，定時(shí)器RD 多通道PWM 輸出簡(jiǎn)化了電機(jī)控制過程。同時(shí)具有豐富的I/O 端口，9 通道AD，多個(gè)外部中斷引腳。具有較大的價(jià)格及性能優(yōu)勢(shì)。

圖1 基于R5F212L 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用集成CMOS 管實(shí)現(xiàn)變頻器，應(yīng)用IR2012 的6 個(gè)輸出端口直接驅(qū)動(dòng)6 個(gè)CMOS 柵極。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電流與反電動(dòng)勢(shì)相位差大小直接影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，當(dāng)此相位差為零時(shí)，此時(shí)電流相對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相位相差90°電角度，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩最大。正弦波電流過零檢測(cè)是為了校正對(duì)不同參數(shù)電機(jī)進(jìn)行電壓相位自適應(yīng)超前，鎖定電流與反電動(dòng)勢(shì)相位差為零。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路及電流過零檢測(cè)電路如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路及A 相電流過零檢測(cè)

2 霍爾元件安裝及轉(zhuǎn)子位置估計(jì)原理

轉(zhuǎn)子位置是電機(jī)運(yùn)行的重要參數(shù)之一，若轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)不準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)子估算偏差較大，都會(huì)直接影響控制，導(dǎo)致控制不正?；蛘邿龤щ姍C(jī)。

在電機(jī)內(nèi)部相距120°安裝3 個(gè)霍爾開關(guān)傳感器，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件就會(huì)輸出一個(gè)上升沿和下降沿與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度B 的過零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的方波信號(hào)［2］。霍爾信號(hào)的輸出應(yīng)與某相繞組的空載反電動(dòng)勢(shì)同相位［3］。電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子角度取決于該信號(hào)，若安裝傳感器時(shí)偏離理想位置就會(huì)給系統(tǒng)帶來很大的誤差，會(huì)給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性因素。

設(shè)定子三繞組對(duì)應(yīng)霍爾信號(hào)分別為Hu、Hv及Hw，其值“1”表示霍爾信號(hào)為高電平，“0”為低電平。本文中電機(jī)產(chǎn)生的霍爾信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置在程序中對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 霍爾信號(hào)與轉(zhuǎn)子角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

電機(jī)運(yùn)行的電周期采用如圖3 所示方法計(jì)算，其中T 為霍爾周期。

圖3 減小霍爾安裝誤差的轉(zhuǎn)動(dòng)周期計(jì)算

圖中最上豎線表示霍爾傳感器上升沿和下降沿信號(hào)，間隔為60°電角度。每過60°電角度強(qiáng)制矯正運(yùn)行角度。如下:

式中:ω 為轉(zhuǎn)子角速度，T 為轉(zhuǎn)子周期，θ 為正弦相位角度，α 為轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)扇區(qū)起點(diǎn)，TPWM為程序中PWM信號(hào)周期，n 為第幾個(gè)PWM 周期。其中ω、T 及α每60°角度更新，θ 及n 每PWM 周期更新。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制軟件主要有系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子速度和位置計(jì)算模塊、相位校正模塊、SVPWM 波形輸出模塊、系統(tǒng)故障顯示及保護(hù)模塊組成。

3.1 電流與反電動(dòng)勢(shì)相位關(guān)系及相位校正

電機(jī)A 相等效電路模型如圖4 所示，電壓與電流關(guān)系如下:

圖4 A 相等效電路模型

可以看出電壓與電流有相位差存在。由于電機(jī)參數(shù)不同，導(dǎo)致電壓與電流相位差不是固定值。電機(jī)控制中期望使電流與反電動(dòng)勢(shì)相位差為零，并且電流相位恒定在超前轉(zhuǎn)子角度90°，使其在高效率下工作。相位校正前后電壓、電流及反電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子角度波形如圖5 所示。

圖5 電壓電流及反電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子角度波形

圖中，a 為霍爾信號(hào)，b 為相反電動(dòng)勢(shì)，c1和c2為不同相位相電壓，d1和d2為不同相位電壓對(duì)應(yīng)的相電流，Δθ 為相電流與相反電動(dòng)勢(shì)相位差，As為相電壓與相電流相位差。

通過調(diào)整相電壓相位使Δθ 趨于零，使電流與相反電動(dòng)勢(shì)同相，鎖定此時(shí)的相位偏移即達(dá)到相位校正目的。程序流程圖如圖6 所示。

圖6 相位校正程序流程圖

其中，一個(gè)霍爾周期計(jì)時(shí)一次，即θ 校正一次，θ為轉(zhuǎn)子位置角，d 為相位校正步距(圖6 中校正步距為1°)。

3.2 SVPWM 輸出設(shè)計(jì)

為了減小電子開關(guān)頻率，提高其使用壽命，F(xiàn)CM8202 中采用了上管不導(dǎo)通時(shí)下管常開策略。同時(shí)為提高電能利用率，加入三次諧波，產(chǎn)生相電壓波形如圖5 中相電壓。SVPWM 輸出是定時(shí)獲取轉(zhuǎn)子角度，通過查表輸出對(duì)應(yīng)角度的三相電壓值，程序流程如圖7 所示。

圖7 中斷程序?qū)崿F(xiàn)正弦波調(diào)制

圖中，θ 為轉(zhuǎn)子位置角，T0為，Tu、Tv、Tw為三相上管的導(dǎo)通占空比，TPWM為PWM 周期，Kmax為正弦表的幅值。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了驗(yàn)證本文驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自適應(yīng)性，實(shí)驗(yàn)中使用霍爾傳感器無刷直流電動(dòng)機(jī)，定子繞組為三相星形連接，磁極對(duì)數(shù)為2，相感抗為0．05 mH，相阻抗為350 mΩ，最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min，24 V 給電機(jī)供電。在3 000 r/min 時(shí)，最大容許電流為3．5 A，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為10．8 N·m/A。當(dāng)占空比為98% 空載時(shí)，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，電流為450 mA，在300 r/min 時(shí)，電流為90 mA，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，電流較小，振動(dòng)噪聲小，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

本文SVPWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)通過軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行相位校正后，解決了由電流與轉(zhuǎn)子相位差不固定在90°所帶來的電源低效率、電機(jī)大電流運(yùn)行發(fā)熱等問題，使電機(jī)運(yùn)行于最大轉(zhuǎn)矩、最小電流環(huán)境下，達(dá)到高效率運(yùn)行。

(2)電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行時(shí)無振動(dòng)和失步現(xiàn)象，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，正反轉(zhuǎn)調(diào)速性能良好的優(yōu)點(diǎn)。該方法計(jì)算量小，對(duì)MCU 的要求低，在低直流母線電壓的中小功率應(yīng)用場(chǎng)合具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，計(jì)算量小，可以方便地添加其他功能模塊，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

［1］ 張琛．直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

［2］ Capponi F G，De Donato G，Del Ferraro L．AC brushless drive with low resolution Hall－effect sensors for an axial flux PM machine．［C］/ /39th Industry Applications Conference Annual Meeting．2004，4:2382－2389．

［3］ 鄒繼斌，徐永向，于成龍，等．正弦波無刷直流電機(jī)的新型轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(12):47－49，55．

［4］ 曾風(fēng)平，鄭成勇，章躍進(jìn)，等．基于開關(guān)型霍爾位置傳感器的永磁同步電動(dòng)機(jī)正弦波驅(qū)動(dòng)［J］．微特電機(jī)，2010，38(8):56 －58，71．