PIC16F1508的開關(guān)磁阻電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計

趙波，李玉美，王曉明

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，錦州 121001)

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趙波，李玉美，王曉明

(遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，錦州 121001)

本文以PIC16F1508單片機(jī)為控制核心，利用其PWM模塊、CLC模塊、TMR1模塊的組合進(jìn)行脈寬調(diào)制和速度檢測，使用開關(guān)磁阻電機(jī)專用驅(qū)動功率芯片F(xiàn)CAS20DN60BB作為驅(qū)動，實現(xiàn)對開關(guān)磁阻電動機(jī)的伺服控制。本控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，減少了外部邏輯器件的使用，并且提高了系統(tǒng)的可靠性、大大降低了系統(tǒng)的成本。通過使用370W、四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)作為控制對象，取得了較好的實驗效果。

開關(guān)磁阻電機(jī);PIC16F1508;CLC;PWM

引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,SRM)因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大以及調(diào)速范圍廣的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、家用電器、機(jī)械及電動車輛等領(lǐng)域[1]。因此，對開關(guān)磁阻電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)研究，一直是機(jī)電一體化領(lǐng)域的熱點。本文以PIC16F1508單片機(jī)為控制核心，與專用驅(qū)動功率芯片結(jié)合，設(shè)計了一款可靠性高、價格低廉、性能穩(wěn)定的開關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

1 SR電機(jī)伺服控制系統(tǒng)組成

開關(guān)磁阻電機(jī)的運行遵循“磁阻最小原則”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合，從而迫使磁路上的導(dǎo)磁體運動到使磁阻最小的位置為止。以四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)為例，定子上有A、B、C、D四相繞組，按照既定順序依次給四相通電，就可以實現(xiàn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)。開關(guān)磁阻電機(jī)運行在連續(xù)的開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)主要由控制器、功率變換器、位置檢測和開關(guān)磁阻電機(jī)4部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)伺服系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該伺服控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括控制器(PIC16F1508)、功率變換器電路、換相控制電路、速度檢測電路、鍵盤顯示電路等，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制器

控制器選用Microchip公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)PIC16F1508，它具有高性能的RISC CPU、豐富的外設(shè)特性，并且具有XLP超低功耗管理功能。選擇PIC16F1508單片機(jī)主要考慮的是使用其4個可配置邏輯單元CLC。Microchip公司創(chuàng)新性地把電路中可能用到的邏輯功能集成到單片機(jī)的內(nèi)部，即可編程邏輯單元CLC。這個模塊可以提供可超越軟件執(zhí)行速度限制而工作的可編程邏輯[2]，大大地簡化了電路的復(fù)雜性，并且由于外部邏輯器件的減少，系統(tǒng)的可靠性得到了一定程度的提高。

目前在開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計中，控制外部開關(guān)管工作時，總是由內(nèi)部發(fā)出一路波形，外部通過簡單的邏輯器件進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生可以控制開關(guān)管工作的4路或者多路波形，而通過使用PIC16F1508單片機(jī)就可減少這些外部邏輯器件的使用。外部電路連接如圖2所示，RC3、RC6作為CLC2、CLC3的輸入信號，僅需要把RC2、RC3、RC6連接起來，由RC2輸出信號，并與CLC2、CLC3的另一路輸入信號PWM4OUT進(jìn)行邏輯運算，就可以產(chǎn)生輸入到功率變換器的所需波形。

2.2 功率變換器

圖3 FCAS20DN60BB的外圍電路

功率變換器在開關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中有著重要的地位，它直接連接電源和電機(jī)繞組，是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的通道，是保證實現(xiàn)控制的根本。通常，功率變換器在整個系統(tǒng)中所占的成本比重最高，因此功率變換器的合理選擇可以有效降低系統(tǒng)成本。

綜合考慮本系統(tǒng)所用的0.37 kW、四相8/6極開關(guān)磁阻電機(jī)的各項參數(shù)，功率變換器選用飛兆公司生產(chǎn)的開關(guān)磁阻電機(jī)專用集成驅(qū)動芯片F(xiàn)CAS20DN60BB，其內(nèi)部集成了4個IGBT、4個快速恢復(fù)二極管、兩個Bootstrap二極管、1個熱敏電阻，并帶有多項的功能保護(hù)。FCAS20DN60BB的外圍電路如圖3所示。

2.3 換相控制電路

開關(guān)磁阻電機(jī)換相的實現(xiàn)，主要是通過檢測磁阻電機(jī)本身所帶傳感器發(fā)出的S、P兩相信號，在不同位置給單片機(jī)不同的信號，通過單片機(jī)使能不同的相進(jìn)行通斷，以此實現(xiàn)電機(jī)的換相。在S、P信號進(jìn)入單片機(jī)之前，要進(jìn)行光電隔離，從而防止信號受到外部的干擾，使用型號為HCPL-4504的光電耦合器完成。采用雙四拍的工作方式，令逆時針為反轉(zhuǎn)，順時針為正轉(zhuǎn)。因此，正轉(zhuǎn)通電順序為AD-DC-CB-BA，反轉(zhuǎn)通電順序為AB-BC-CD-DA， S、P兩相在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時的不同勵磁相如表1所列，換相外部電路如圖4所示。

2.4 速度檢測電路

開關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)部定子上的兩個光電脈沖發(fā)生器發(fā)出的周期為60°,且有相差15°的方波，這在換相時是十分有用的，但是在速度檢測時，已經(jīng)達(dá)不到所需的精度要求，通常的做法是將S、P兩相信號異或，使其成為一個周期為30°的方波信號。如圖2所示，RA1、RB5分別作為CLC4的輸入信號，利用CLC4的內(nèi)部異或邏輯將S、P兩相信號異或，可以達(dá)到目的，并且減少了外部邏輯器件的使用。

表1 SR電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字

圖4 換相電路圖

速度檢測的準(zhǔn)確是實現(xiàn)速度伺服控制的基礎(chǔ)，雖然PIC16F1508單片機(jī)沒有捕捉功能，但是其TMR1模塊自帶門控使能計數(shù)的功能，可以把S、P相信號異或后作為TMR1的門控信號輸入源，以系統(tǒng)時鐘的8分頻為TMR1的時鐘，并且使能門控反轉(zhuǎn)和單脈沖模式，從而完整地測量門控信號一個周期的時間。一個位置信號的周期相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30°機(jī)械角，只要測得轉(zhuǎn)過1個位置信號周期時間Δt,就可根據(jù)ω=30°/Δt,計算出平均轉(zhuǎn)速。

2.5 鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路用于動態(tài)地顯示開關(guān)磁阻電機(jī)實時速度，本文使用單片機(jī)的主同步串行口模塊(MSSP)，通過I2C接口與外部器件ZLG7290進(jìn)行通信，驅(qū)動數(shù)碼管顯示。ZLG7290是具有I2C串行接口功能、可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時可以連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能[4]。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊設(shè)計外部電路圖如圖5所示。

圖5 鍵盤顯示電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟硬件的正確配合是系統(tǒng)正確運行的保證，軟件部分的設(shè)計任務(wù)主要包括：主程序、換相中斷子程序、速度檢測子程序、按鍵中斷子程序、故障中斷子程序等。

3.1 主程序設(shè)計

主程序中包括：系統(tǒng)初始化、變量的賦值、CLC單元的設(shè)定、中斷配置、TMR1模塊配置等。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 換相中斷子程序設(shè)計

根據(jù)位置檢測及換相硬件電路的設(shè)計，PIC16F1508單片機(jī)的RA0/RB5口接入開關(guān)磁阻電機(jī)凹槽式光電傳感器H92B4發(fā)出的兩個電平信號，從而判斷出電機(jī)通電相，實現(xiàn)電機(jī)的換相控制。換相中斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 換相中斷子程序流程圖

3.3 速度檢測子程序設(shè)計

PIC16F1508沒有自帶捕捉的功能，因此使用其TMR1模塊的門控計數(shù)功能，S與P經(jīng)內(nèi)部CLC4異或后的信號作為門控信號，通過讀取中的脈沖個數(shù)，從而計算出此時的轉(zhuǎn)速大小并送到數(shù)碼管顯示。速度檢測子程序流程圖如圖8所示。

圖8 速度檢測子程序流程圖

3.4 按鍵中斷子程序設(shè)計

在系統(tǒng)進(jìn)入正常高速運轉(zhuǎn)之前要輸入給定的速度值以及比例、積分、微分調(diào)節(jié)系數(shù)，因此在主程序中需要加入按鍵中斷子程序?？紤]到硬件電路設(shè)計中鍵盤輸入電路的設(shè)計，需要使用I2C總線通信的方式與ZLG7290芯片進(jìn)行通信，所以在按鍵中斷子程序設(shè)計中加入了讀子程序設(shè)計以及寫子程序設(shè)計等。按鍵中斷子程序流程圖如圖9所示。

圖9 按鍵中斷子程序流程圖

3.5 故障中斷子程序設(shè)計

當(dāng)電路出現(xiàn)欠壓、短路等故障時，智能功率模塊發(fā)出一個電平信號經(jīng)INT中斷輸入引腳給控制器，控制器收到這個信號后就產(chǎn)生INT中斷，停止控制信號的輸出，以保證智能功率模塊及電動機(jī)的安全。故障中斷子程序流程圖略——編者注。

4 實驗現(xiàn)象及結(jié)論

測試各硬件設(shè)備的連接，系統(tǒng)上電，此時由PIC16F1508單片機(jī)發(fā)出的4路控制波形略——編者注。PIC16F1508單片機(jī)可以發(fā)出控制開關(guān)磁阻電機(jī)運轉(zhuǎn)的4路波形，從而有效減少外部邏輯器件的使用，提高集成度和可靠性。

由功率驅(qū)動芯片F(xiàn)CAS20DN60BB的數(shù)據(jù)手冊可知，最佳載波頻率為3 kHz，此時開關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速范圍略——編者注。開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM的占空比不是嚴(yán)格的比例關(guān)系，而是存在一定的誤差。理論轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的相對誤差的平均值為0.1%，滿足應(yīng)用的要求。

結(jié) 語

由此可見，以PIC16F1508單片機(jī)為核心設(shè)計的開關(guān)磁阻電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡單，大大減少了外部邏輯器件的使用，而且性能穩(wěn)定，可靠性得到提高。本系統(tǒng)的設(shè)計可以為其他電機(jī)設(shè)計者提供借鑒。

[1] 王曉明.電動機(jī)的ADSP控制—ADI公司ADSP應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[2] Microchip.PIC16(L)F1508/9數(shù)據(jù)手冊2014.

[3] 王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[4] 廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED 驅(qū)動器2014.

趙波、李玉美(碩士研究生)，研究方向為工業(yè)過程自動化；王曉明(教授)，長期從事運動控制、自動化控制的科研和教學(xué)工作。

Zhao Bo,Li Yumei,Wang Xiaoming

(School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

The design takes PIC16F1508 as the control core,which uses PWM module,CLC module and TMR1 module for pulse width modulation and speed detection,and it uses the switched reluctance motor drive power chip FCAS20DN60BB as a driver to realize the servo control for the switched reluctance motor.This control system has the advantages of simple structure,less usage of the external logic device,high reliability and low cost.By using the 370W,four phases 8/6 SR motor as the control object,the experiment achieves good results.

switched reluctance motor;PIC16F1508;CLC;PWM

TP273

A

迪娜

2015-03-30)