空心杯电机的PWM调制及PI控制方法

空心杯电机的PWM调制及PI控制方法 , 作者:赵华,凌志浩 转贴自:本站原创 更新时间:2008-8-5 11:10:00 文章录入:sws, 摘 要: 由于空心杯无刷直流电动机的独特结构，使它具有体积小、响 应速度快、拖动性能好等优点，被广泛地应用于国民经济的各个领域。本 文就如何运用PWM调制和PI控制对空心杯电机进行调速进行了研究和探 讨。 关键词: 空心杯无刷直流电动机;脉宽调制;比例积分控制; The PWM and PI Control Method of the Drug Cup Motor Zhao hua Abstract: Because of the special construction of the drag cup brushless DC motor, it owns small capacity, high response speed, good drive performance, etc. It is widely used in each field of national economy. This dissertation will carry on how to apply PWM and PI control into velocity modulation. Key words: drag cup brushless DC motor; PWM; PI control; 1 引言 空心杯无刷直流电机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在 电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放 置永久磁钢。空心杯无刷直流电机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采 用多相形式，经由逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器或无位置 传感器技术实现电子换向代替有刷直流电机的电刷和换向器，各项逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩，使电机旋转[1]。 和有刷直流电机相比，空心杯无刷直流电机由于消除了电机滑动接触机构，因而消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了电的损耗[1]。又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的。除轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。 正是由于空心杯电动机这种的独特结构，才使它具有十分突出的节能、控制和拖动特性。随着稀土磁材料和功率半导体器件性能、价格比的不断提高，新的控制技术不断出现，小功率、高性能调速电机和伺服电机(均为空心杯无刷直流电机)在工业领域的应用变得越来越广泛。本文就空心杯无刷直流电机的PWM调制和PI控制的方法展开讨论。 2 空心杯电机的PWM调制和PI控制方法 2.1 PWM调制方式 对于两相导通三相六状态的空心杯无刷直流电动机，在一个周期内，每个功率开关器件导通120度电角度，每隔60度有两个开关器件切换。因此，PWM调制方式可以有以下五种:(1)on_pwm型、(2)pwm_on型、(3)H_pwm-L_on型、(4)H_on-L_pwm型和(5)H_pwm-L_pwm型[1]。 前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个60度区间，只有上桥臂或下桥臂开关进行斩波调制。其中，方式(1)和(2)为双管调制方式，即在调制过程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制。方式(3)和(4)又称为单管调制方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式(5)又称为全桥调制方式，即在任意一个60度区间内， 上、下桥臂的功率开关同时进行斩波调制。 在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍。与半桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。因此，考虑到功率开关的动态功耗，在PWM调制方式上应选择半桥调制方式。同时，在半桥调制方式中，双管调制方式不增加功率开关的动态损耗，并解决了由单管调制所造成的功率开关散热不均，提高了系统的可靠性，但是实现起来较复杂。因此，本设计采用较容易实现的H_pwm-L_on型调制方式，即在各自的120度导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM调制，下桥臂开关管恒通。。 2.2 PI控制方法 在模拟调节系统中，PI控制算法的模拟达式为: 式中，为调节器的输出信号; (1) 为偏差信号，它等于给定量与输出量之差; 为比例系数;为积分时间常数。 由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因，为了使计算机能实现式(1)，必须将其离散化，用离散的差分方程来代替连续系统的微分方程。连续系统的离散化，即 (=0,1,2,?n) (2) 积分用累加求和近似得 式中，为采样周期; (3) 为系统第j次采样时刻的偏差值。 将式(3)代入式(1)，则可得到离散的PI表达式 式中，为采样周期; (4) 为系统第k次采样时刻的偏差值;为 系统第j次采样时刻的偏差值; k=0,1,2,?。 为调节器第k次采样时刻的输出信号;k为采样序号， 如果采样周期取得足够小，该算式可以很好的逼近模拟算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。由于式(4)表示的控制算法提供了执行机构得位置，所以通常把式(4)称为PI的位置式控制算式或位置式PI控制算法。 其控制原理图如图1所示[3]。 图1 PI位置式控制原理图 如果在式(4)中，令 (称为积分系数) 则 (5) 此即为离散化的位置式PI控制算法得编程表达式。 由式(5)可以看出，每次输出与过去的所有状态有关，要想计算 历次，须将相加，计算复杂，浪费内存。下面，我们来推导计算较为简单的递推算式。为此，对式(5)作如下变动: 考虑到第k-1次采样时有 使式(5)两边对应减去式(6)，得 (7) 整理得 (6) (8) 式中，， 式(8)就是PI位置式算式的递推形式[3]，称为PI的增量式控制算式或增量式PI控制算法，本设计就是采用这种算法进行PI控制的。 3 硬件设计 3.1电源电路的设计 本设计采用性价比较高的C8051F330单片机芯片作为系统的控制器。为了使芯片能正常工作，需要在该芯片的引脚提供一个3.3V的电源。为此，本设计采用ROHM公司的BA033CC0专用稳压芯片为C8051F330提供电源，它的最大输出电流1A，最高输入电压35V，内置过压保护电路，3.3V稳压输出。 图2 稳压电源电路图 其稳压电路如图2所示,其中E+由外接电源提供。电容C17、C18起稳压作用，消除振荡和外界干扰，LED灯检验有无输出电压，R6限制流过LED灯的电流。 3.2主电路设计 图3所示的是三相桥式主电路。图中，上桥臂三个开关管Q1、Q3、Q5是P沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通;下桥臂三个开关管Q2、Q4、Q6是N沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。这六个MOSFET管栅极驱动信号由芯片IR2103S提供。在三角形联结定子绕组的每一相绕组上都并联了阻容滤波电路，由于空心杯电机定子绕组的阻值只有几欧姆甚至零点几欧姆，而阻容滤波电路的电阻有20K，所以阻容滤波电路不会对定子绕组的电流和端电压波形造成不利影响。 当然实际的硬件电路还包括C8051F330的单片机芯片、与仿真器的接口电路、直流母线稳压电路及其检测电路、逆变驱动电路及反电动势检测回路和转速设定值采样电路等。这里由于篇幅所限不再赘述。 图3 三相桥式主电路 4 软件设计 主程序图如图4所示。在主程序开始，先关闭了看门狗功能，因为看门狗功能会限制对某些PCA寄存器的访问。接着，完成系统初始化，包括:系统时钟、I/O口、ADC、定时器、PCA、中断和变量的初始化。等待系统上电后，检测电机旋转方向设定，起动电机，并使电机运行在稳定的状态。当电机发生堵转时，反电动势为零，这将导致电机无法正常换相，而且堵转电流很大，容易烧坏电机。因此，若反电动势检测超时，即电机堵转时，使系统重启，以保护电机不会长时间受大电流冲击。当设定的旋转方向与电机实际的旋转方向相反时，需要先让电机制动，然后再反向起动。下面对程序中的几个重要模块作简要介绍。 图4 主程序流程图 4.1 PWM调制 4.1.1 PWM频率 为了使电机空载或轻载时电流连续，PWM的频率需要在15KHz以上，但过高的PWM频率会使MOSFET管功耗增加，温度升高，甚至导致MOSFET烧坏。所以，本设计使PCA定时器工作在16位PWM模式，PCA定时器时钟采用系统时钟的12分频，即2.0417MHz，从0xFF87开始计数，直到0x0000溢出。这样，PWM的频率为2.0417M /0x0078=17KHz，刚好符合要求。由于PCA定时器不是从0x0000开始计数，所以每次溢出中断后，必须在中断服务程序中对PCA定时器重新赋初值，这样才能保证PWM的频率维持在17KHz。 4.1.2 PWM占空比调节方法 PWM的占空比可以通过改变寄存器PCA0CPH0:PCA0CPL0的值来调节，从而达到调速的目的。在本设计中，由PI控制算法的控制量来对占空比进行调节。由于要满足17 KHz的PWM频率，PCA定时器是从0xFF87开始计数的， 设定寄存器PCA0CPH0:PCA0CPL0的值时，应该作出相应的调整，使寄存器PCA0CPH0:PCA0CPL0的值在0xFF87,0xFFFF的范围内。 4.1.3 PWM对反电动势检测的影响及解决 因为采用了PWM调制方式，在PWM波形输出低电平时，直流母线电压与电机的定子绕组断开，使端电压波形不再是平滑的梯形波，不能用于反电动势过零检测。因此，本设计在PCA定时器每次溢出中断时，即PWM波形下降沿，清零反电动势检测标志位flagEMF，启动定时器T1，使定时器T1在PWM波形高电平中间 这一时刻产生中断，如图5所示。而定时器T1的中断服务程序使反电动势检测的标志位flagEMF置1，表示此时可以进行反电动势检测，同时关闭定时器T1，等到下一次PCA定时器溢出中断时再启动它。 图5 PWM波形与定时器T1的关系 4.2 PI控制 本设计采用统计一段时间内的换相次数来计算电机的实际转速。如果采样周期太短会使测得的换相次数很少，甚至不到一次，乘以反馈系数后会产生很大的误差。所以，本设计的采样周期为0.3s，即每隔2400次T0中断进行一次采样，即调用PI控制子程序。PI子程序的框图如图6所示。其中，反馈系数的选取，应该使全压起动时的转速反馈值等于最大转速设 定值(全压起动指直流母线电压为24V，占空比为100%)。这样，才能使数字PI控制器给出正确的控制量。 图6 PI控制子程序流程图 5 实验结果 本课题经过理论研究、硬件设计、软件编程和系统调试，完成了空心杯无刷直流电动机PWM调制和PI控制的闭环调速系统的设计。上桥臂驱动芯片输出的PWM波形如图7所示。 图7 上桥臂驱动芯片输出的PWM波形 空心杯电机运行时的端电压波形如图8所示。由图可见，空心杯电机的端电压是一个不平滑的梯形波，这是由于PWM所至，它始终在0,Us之间变化。 图8 空心杯电机的端电压波形 由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如: 1.修正PI控制参数，使空心杯电机具有更好的运行特性。 2.完善反电动势过零检测方法，减小转矩脉动 3.加上过流保护 References 【1】. 孙建忠，白凤仙主编. 特种电机及其控制.北京:中国水利水电出版 社，2005:1-77 【2】. 张琛编著.直流无刷电动机原理及应用.北京:机械工业 出版社，1996: 124-131 【3】. 赖寿宏主编.微型计算机控制技术.北京:机械工业出版社，2000:86 -102 【4】. 朝光鲜等.无刷直流电动机定子绕组的星形和三角形联接[J].微电机， 2003，36(1):3-6 【5】. 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.第三版.北京:机械工业出版社， 2003 【6】. 娄柯,施火泉. 基于C8051F单片机的无位置传感器无刷直流电机的控制[J]. 电机与控制应用, 2006，33(3) 【7】. 谢世杰，陈生潭，楼顺天.数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用[J].现代电子技术，2004， (2):59-61 【8】. 娄柯,施火泉. 基于C8051F单片机的无位置传感器无刷直流电机的控制[J]. 电机与控制应用, 2006，33(3) 【9】. 谢世杰，陈生潭，楼顺天.数字PID算法在无刷直流电机控制器中的应用[J].现代电子技术，2004，(2):59-61 【10】. T. Sakurai: "Driving Method for a DeltaConnection Brushless Motor (1 st report)" 1993 National convention record I.E.E. Japan –Industry Application Society - pp257-260 【11】. JJohnson, etc, “Review of Sensorless Methods for Brushless DC,”IAS annual meeting 1999, pp143-150