基于C8051F320的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)控制技術(shù)
趙君，劉衛(wèi)國，譚博，孫銀川
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：介紹一種基于c8051 F320的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)采用反電勢過零檢測法確定轉(zhuǎn)子位置信息，完成r速度、電流的雙閉環(huán)控制。結(jié)合c805l320具有的多機(jī)9位uART通信模式，利用Labview 8. O實現(xiàn)了對多臺電機(jī)的測試與PI參數(shù)整定功能。樣機(jī)實驗表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，調(diào)速性能
良好。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；無位置傳感器；c8051F320；Labvlew 8. 0
O引 言
隨著磁性材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。無刷直流電動機(jī)與直流電動機(jī)和交流異步電動機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速特性好、無換向器和效率高的特點。因為無刷直流電動機(jī)沒有換向器，需要采取一定措施獲取轉(zhuǎn)子位置信息。而獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法通常有兩種，一種是采用傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置，這種方法簡單易行，但傳感器易受環(huán)境影響，在高溫等環(huán)境下，性能會不穩(wěn)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(jī)的基本方程、觀測器和電機(jī)的反電勢等獲得轉(zhuǎn)子位置信息。
在第二種方法中，利用反電勢過零點獲得轉(zhuǎn)子位置信息的“反電勢法”簡單可行，文中利用該方法設(shè)計了一種用于牙鉆機(jī)的無位置傳感器無刷直流電動機(jī)(簡稱牙鉆電機(jī))控制系統(tǒng)，并結(jié)合Labview 8. O完成對系統(tǒng)的測試及參數(shù)整定。
1反電勢過零檢測
反電勢過零檢測法是目前技術(shù)最成熟，實現(xiàn)******，應(yīng)用****泛的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。文獻(xiàn)[1]指出在方波無刷直流電動機(jī)中，繞組反電勢是正負(fù)交變的梯形波，當(dāng)某相繞組的反電勢過零時，轉(zhuǎn)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30o電角度，就可獲得對應(yīng)的換相時刻，這就是反電勢法檢測無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置換相工作原理。
本系統(tǒng)牙鉆電機(jī)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(jī)位置信號。圖2為電機(jī)A相繞組位置檢測電路，其余兩相與A相同。
由于采用PwM方式，A中往往含有高頻調(diào)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(jìn)行濾波。圖2中濾波參數(shù)決定著最后得到的方波信號能否準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)子位置，所以設(shè)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小；其次，因元器件存在一定的誤差，在選用R、c元件時，應(yīng)保證三相對應(yīng)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(jī)運行性能帶來不利影響。
2控制原理
系統(tǒng)由電流反饋控制環(huán)及速度反饋控制環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速通過單片機(jī)檢測位置檢測電路獲得的轉(zhuǎn)子位置信息日HA、HB、HC計算得到，系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)均由單片機(jī)根據(jù)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(yīng)的電機(jī)給定電壓值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，對速度控制器的輸出電流給定值與經(jīng)采樣電阻采樣后送A／D轉(zhuǎn)換得到的電流值，通過適當(dāng)?shù)腜I算法，給出對應(yīng)的PwM信號，實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制由給定信號經(jīng)單片機(jī)處理后控制對應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通順序，完成正反轉(zhuǎn)功能。由于將M0sFET的實際電流采樣情況送到單片機(jī)，當(dāng)三相橋的運行電流超過給定值時，單片機(jī)可以靈活地進(jìn)行保護(hù)控制。
系統(tǒng)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(tǒng)級芯片(soc)，具有與8051兼容的高速cIP-5l內(nèi)核(運算速度高達(dá)25MIPs)。擁有豐富的片內(nèi)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(zhǔn)、溫度傳感器、SM Bus／12c、usB、uART、PcA及看門狗等。這些外設(shè)的高度集成，為設(shè)計小體積、低功耗、高性能的系統(tǒng)提供了極大的方便，同時可以大大降低系統(tǒng)整體成本。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
對于無位置傳感器無刷直流電動機(jī)而言，在電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)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(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子位置信息，因此需要采用一定的起動方法使電機(jī)運轉(zhuǎn)到可以穩(wěn)定獲得反電勢過零點的速度。由于牙鉆電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小，同時考慮成本及復(fù)雜程度，本系統(tǒng)采用一種開環(huán)起動技術(shù)完成電機(jī)由靜止到穩(wěn)定產(chǎn)生過零檢測信號的過渡。開環(huán)起動技術(shù)現(xiàn)通常稱為“三段式”起動技術(shù)，即首先對轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位，然后采用外同步的方式，使電機(jī)逐漸加速至預(yù)定速度，當(dāng)可以穩(wěn)定得到反電勢過零信號時，切換到自同步方式進(jìn)行。圖4給出了無位置傳感器無刷直流電動機(jī)起動時和切換到自同步狀態(tài)后的端電壓過零點檢測波形。
3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)設(shè)計
系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計，保證電機(jī)運行穩(wěn)定，提高其動態(tài)性能。c8051F320是系統(tǒng)的控制核心，其主程序主要完成系統(tǒng)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(shè)置。起動／停止、方向、速度給定既可以由I／O和A／D由外部獲得，電可以有上位機(jī)通過串行總線傳輸。
雙閉環(huán)控制采用數(shù)字PI控制，離散形式的PI表達(dá)式為：
式中：Kp、Ki為比例和積分系數(shù)；e(k)、e(k一1)為第k、k一1次時的期望偏差值。比例環(huán)節(jié)作用是對信號的偏差作出反應(yīng)，Kp越大，控制作用越強(qiáng)，但是過
大的Kp會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。積分環(huán)節(jié)可以消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)響應(yīng)速度。對于無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是整個系統(tǒng)的外環(huán)，它使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定值變化，無靜態(tài)誤差，并且其輸出的電流值是允許的****電流值，對負(fù)載的變化起到抗干擾的作用。
由于直流無刷電動機(jī)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(shù)作為該牙鉆電機(jī)的通用參數(shù)。本系統(tǒng)采用實驗經(jīng)驗法根據(jù)經(jīng)驗公式及實際試驗效果得到PI控制參數(shù)。速度環(huán)的采樣周期預(yù)設(shè)為2 ms，電流環(huán)的采樣周期預(yù)設(shè)與PwM脈寬調(diào)制輸出的頻率一致，為O．2 ms。首先將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運行，然后逐步減小比例度，即加大系數(shù)Kp，直到系統(tǒng)對輸入的階躍信號的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，此時比例系數(shù)記為Kr，臨界振蕩周期記為Tr。根據(jù)經(jīng)驗公式可以得到：
由此可得出速度與電流的PI參數(shù)分別為：Kps=8. 6，Kis=O. 29，Kpi=5．1，Kii=O 17。
因此，只要適當(dāng)?shù)倪x取以上參數(shù)，就可以使系統(tǒng)獲得良好性能。
4基于串口的多通道Pl參數(shù)整定
為了便于生產(chǎn)過程中同時完成對多個電機(jī)的參數(shù)整定，提高生產(chǎn)效率，系統(tǒng)使用c805lF320的9位uART多機(jī)通信方式，通過上位機(jī)對多個電機(jī)同時進(jìn)行PI參數(shù)整定及測試。當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給一個或多個從機(jī)時，它先發(fā)送一個用于選擇目標(biāo)的地址字節(jié)。地址字節(jié)與數(shù)據(jù)字節(jié)區(qū)別是：地址字節(jié)第9位為邏輯‘1’；數(shù)據(jù)字節(jié)的第9位總是為邏輯‘0’。
在9位uART模式下，每個數(shù)據(jù)字節(jié)共使用11位：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個可編程的第9位和1個停止位。第9位發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)位進(jìn)入RB80，停止位被忽略。當(dāng)執(zhí)行一條向sBuFD寄存器寫入一個數(shù)據(jù)字節(jié)的指令時，uART開始發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送結(jié)束時(停止位開始)發(fā)送中斷標(biāo)志T10被置‘l’。在接收允許位REN0被置‘l’后，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)字節(jié)將被送人接收寄存器SBUFO;RIO為邏輯‘0’；如果McEO為邏輯‘1’，則第9位必須為邏輯‘1’。如果從機(jī)的McEO位被置為‘1’，則只有當(dāng)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(chǎn)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(jī)自身設(shè)置的8位地址進(jìn)行比較。如果地址匹配，從機(jī)將清除McEO位以允許后面接收數(shù)據(jù)字節(jié)時產(chǎn)生中斷。未被尋址的從機(jī)仍保持其McEO位為‘1’，在收到后續(xù)的數(shù)據(jù)字節(jié)時不產(chǎn)生中斷，從而忽略收到的據(jù)。一旦接收完整個消息，被尋址的從機(jī)將它的McEO位重新置為‘l’，忽略所有數(shù)據(jù)傳輸，直到收到下一個尋址字節(jié)。
系統(tǒng)采用以上多機(jī)通信原理，設(shè)計上位機(jī)軟件，完成對多個牙鉆電機(jī)的參數(shù)整定及狀態(tài)測試，在提高生產(chǎn)效率的同時，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
5實驗結(jié)果
本系統(tǒng)利用Labview 8. O設(shè)計了對牙鉆電機(jī)閉環(huán)PI參數(shù)整定及測試的上位機(jī)軟件，同時對10臺27 V／10 w、額定轉(zhuǎn)速21 000 r／min、極對數(shù)p=2的牙鉆電機(jī)進(jìn)行參數(shù)整定及測試。試驗結(jié)果如圖6所示.
6結(jié)語
測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)對無位置傳感器無刷直流電動機(jī)有良好的控制效果，電機(jī)起動和切換至白同步過程平穩(wěn)，無振動和失步現(xiàn)象。同時該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點，友好的人機(jī)交互方式，大大提高了生產(chǎn)效率，該控制器也可以用于多種中小型電機(jī)的控制。目前，該無位置傳感器無刷直流牙鉆電機(jī)控制器已交付生產(chǎn)廠家，反映良好。 |
