三相電動機編程控制工作原理及方案

本文介紹了采用Renesas公司MC16C/28系列的CPU產品,運用120o 梯形波交變,通過電動機感應電壓的過零點來估測轉子位置,從而實現表面安裝永磁式同步電動機（SPMSM）的無位置傳感器型驅動的方法。

通過變頻技術和脈寬調制技術對交流電動機轉速和位置進行數字控制是電動機控制的發展趨勢,永磁式同步電動機（PMSM）具有結構簡單、體積小、易于控制、性能優良等優點。用單片機對電動機進行數字控制是實現電動機數字控制的最常用的手段。

電動機控制

圖1 三相電動機驅動

圖2 電動機控制硬件框圖

逆變器控制

電能（商用電源）一般是通過一個電源系統來提供的。在這種場合,商用電源的電壓、頻率和相位在嚴格的控制之下被固定于一個精確的水平上。如果把一個商用電源直接提供給電動機的負載,則感應式電動機（IM）可以被起動,而同步電動機（比如永磁式同步電動機PMSM）則不能被起動。

在逆變器控制過程中,商用電源未與負載相連。一個轉換器件首先把交流（AC）電流轉換成直流（DC）電源,然而再由一個逆變器將直流電源轉換成交流電源,以便向電動機輸送具有期望電壓和頻率的交流電源。如果輸出電壓和頻率是根據負載和擾動來控制的,則這將使得同步電動機能夠起動和旋轉,并達到節能的效果。

表1 控制方法

表2 A/D轉換

表3 中斷功能

感應電壓

電動機可以起發電機的作用。因此,當把一盞燈連接至電動機并旋轉電動機的軸時,燈將會發光。這是因為產生了感應電動勢的緣故,而產生的電壓就被稱為“感應電壓”。

當電動機停止轉動時,將不會產生感應電壓。因此,當起動電動機時,將強迫它在某一特定方向上旋轉,以找到轉子的位置。

在采用180o正弦波交變的電動機控制中,由于電動機中有電流連續流過,故不能直接監視電動機中產生的感應電壓。因此,在無位置傳感器的控制中,轉子位置是通過電動機電流來估測的。

用于電動機控制的硬件和軟件規范

硬件構成

表面安裝永磁式同步電動機（SPMSM）
A/D轉換器
三相PWM輸出
感應電壓的零點檢測

四部分組成的框圖示于圖2。

軟件功能

軟件控制示于表1。

用于電動機控制的CPU及其周圍設備的功能說明

A/D轉換

A/D轉換說明見表2。

三相PWM輸出

采用鋸齒波來進行調制和采用了三相模式0來實現120o交變驅動電機。

在采用梯形波的120o交變中,轉速基本與電壓成正比。

三相電動機感應電壓的過零點檢測

在本軟件中,感應電壓的過零點是通過按表3對外部中斷功能進行配置的方法來檢測的。

用梯形波交變實現SPMSM的無位置傳感器型

驅動的軟件描述

軟件描述了如何使用梯形波的120o交變來實現SPMSM的無傳感器型驅動。內容包括：

(1)由電動機中的感應電壓來檢測轉子位置和采用梯形波的120o 交控制旋轉轉速度在±500 rpm~3000 rpm范圍。

(2)對8個控制模塊的描述。

A/D轉換器
感應電壓的檢測
實際轉速的計算
目標轉速的計算
PWN占空比的計算
確定輸出模式
初始啟動處理
其他一些CPU關于系統異常動作的監測和檢測。

(3)CPU寄存器的存儲變換

CPU具有13個寄存器：數據寄存器、地址寄存器、幀寄存器、中斷表寄存器、程序指針寄存器、用戶堆棧指針（USP）寄存器中斷堆棧指針（ISP）寄存器、狀態寄存器、標志寄存器(進位標志寄存器、調試標志寄存器、0標志寄存器、符號標志寄存器、寄存器組選擇標志寄存器、溢出標志寄存器、中斷使能標志寄存器。)堆棧指針選擇標志寄存器、處理器中斷優先級寄存器、預留域寄存器。

存儲變換包括：

線性地址空間,固定中斷的矢量,內部RAM,SFR區域,特殊的頁面矢量等的地址分配。
用于本軟件的存儲變換和段配置

(4)系統的主要軟件模塊

(5)與三相輸出有關的SFR的初始設定值

AD轉換器的控制寄存器0－2的設置
電動機感應電壓檢測
三相輸出PWM設置（24個寄存器）

(6)通過120°梯形波交變來實現SPMSM無傳感器型驅動控制流程

用于通過120°梯形波交變來實現SPMSM的無傳感器型驅動的主處理
初始化處理
PWM中斷處理
停止處理
啟動處理
正常處理
　　實際轉速計算處理
轉速命令計算處理
總線電壓計算處理
電動機鎖定檢測處理
停止檢測處理。