PIC16F1508的開關磁阻電機伺服系統設計

趙波，李玉美，王曉明

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001)

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趙波，李玉美，王曉明

(遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001)

本文以PIC16F1508單片機為控制核心，利用其PWM模塊、CLC模塊、TMR1模塊的組合進行脈寬調制和速度檢測，使用開關磁阻電機專用驅動功率芯片FCAS20DN60BB作為驅動，實現對開關磁阻電動機的伺服控制。本控制系統結構簡單，減少了外部邏輯器件的使用，并且提高了系統的可靠性、大大降低了系統的成本。通過使用370W、四相8/6極開關磁阻電機作為控制對象，取得了較好的實驗效果。

開關磁阻電機;PIC16F1508;CLC;PWM

引 言

開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor,SRM)因其結構簡單、成本低、可靠性高、效率高、啟動轉矩大以及調速范圍廣的優點，廣泛應用于航空航天、家用電器、機械及電動車輛等領域[1]。因此，對開關磁阻電機伺服驅動系統的技術研究，一直是機電一體化領域的熱點。本文以PIC16F1508單片機為控制核心，與專用驅動功率芯片結合，設計了一款可靠性高、價格低廉、性能穩定的開關磁阻電機伺服控制系統。

1 SR電機伺服控制系統組成

開關磁阻電機的運行遵循“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磁體運動到使磁阻最小的位置為止。以四相8/6極開關磁阻電機為例，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，就可以實現電機的運轉。開關磁阻電機運行在連續的開關狀態，因此開關磁阻電機伺服控制系統主要由控制器、功率變換器、位置檢測和開關磁阻電機4部分組成，其系統結構如圖1所示。

圖1 開關磁阻電機伺服系統組成

2 系統硬件設計

該伺服控制系統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，其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖

2.1 控制器

控制器選用Microchip公司生產的8位單片機PIC16F1508，它具有高性能的RISC CPU、豐富的外設特性，并且具有XLP超低功耗管理功能。選擇PIC16F1508單片機主要考慮的是使用其4個可配置邏輯單元CLC。Microchip公司創新性地把電路中可能用到的邏輯功能集成到單片機的內部，即可編程邏輯單元CLC。這個模塊可以提供可超越軟件執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雜性，并且由于外部邏輯器件的減少，系統的可靠性得到了一定程度的提高。

目前在開關磁阻電機控制系統的設計中，控制外部開關管工作時，總是由內部發出一路波形，外部通過簡單的邏輯器件進行邏輯轉換，產生可以控制開關管工作的4路或者多路波形，而通過使用PIC16F1508單片機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進行邏輯運算，就可以產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

功率變換器在開關磁阻電機伺服控制系統中有著重要的地位，它直接連接電源和電機繞組，是電能轉化為機械能的通道，是保證實現控制的根本。通常，功率變換器在整個系統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成本。

綜合考慮本系統所用的0.37 kW、四相8/6極開關磁阻電機的各項參數，功率變換器選用飛兆公司生產的開關磁阻電機專用集成驅動芯片FCAS20DN60BB，其內部集成了4個IGBT、4個快速恢復二極管、兩個Bootstrap二極管、1個熱敏電阻，并帶有多項的功能保護。FCAS20DN60BB的外圍電路如圖3所示。

2.3 換相控制電路

開關磁阻電機換相的實現，主要是通過檢測磁阻電機本身所帶傳感器發出的S、P兩相信號，在不同位置給單片機不同的信號，通過單片機使能不同的相進行通斷，以此實現電機的換相。在S、P信號進入單片機之前，要進行光電隔離，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，順時針為正轉。因此，正轉通電順序為AD-DC-CB-BA，反轉通電順序為AB-BC-CD-DA， S、P兩相在正轉和反轉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

開關磁阻電機內部定子上的兩個光電脈沖發生器發出的周期為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，已經達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的內部異或邏輯將S、P兩相信號異或，可以達到目的，并且減少了外部邏輯器件的使用。

表1 SR電機正反轉控制字

圖4 換相電路圖

速度檢測的準確是實現速度伺服控制的基礎，雖然PIC16F1508單片機沒有捕捉功能，但是其TMR1模塊自帶門控使能計數的功能，可以把S、P相信號異或后作為TMR1的門控信號輸入源，以系統時鐘的8分頻為TMR1的時鐘，并且使能門控反轉和單脈沖模式，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于轉子轉過30°機械角，只要測得轉過1個位置信號周期時間Δt,就可根據ω=30°/Δt,計算出平均轉速。

2.5 鍵盤顯示電路

鍵盤顯示電路用于動態地顯示開關磁阻電機實時速度，本文使用單片機的主同步串行口模塊(MSSP)，通過I2C接口與外部器件ZLG7290進行通信，驅動數碼管顯示。ZLG7290是具有I2C串行接口功能、可同時驅動8位共陰式數碼管的智能顯示驅動芯片，該芯片同時可以連接多達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]。根據其數據手冊設計外部電路圖如圖5所示。

圖5 鍵盤顯示電路

3 系統軟件設計

軟硬件的正確配合是系統正確運行的保證，軟件部分的設計任務主要包括：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 主程序設計

主程序中包括：系統初始化、變量的賦值、CLC單元的設定、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 換相中斷子程序設計

根據位置檢測及換相硬件電路的設計，PIC16F1508單片機的RA0/RB5口接入開關磁阻電機凹槽式光電傳感器H92B4發出的兩個電平信號，從而判斷出電機通電相，實現電機的換相控制。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 速度檢測子程序設計

PIC16F1508沒有自帶捕捉的功能，因此使用其TMR1模塊的門控計數功能，S與P經內部CLC4異或后的信號作為門控信號，通過讀取中的脈沖個數，從而計算出此時的轉速大小并送到數碼管顯示。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 按鍵中斷子程序設計

在系統進入正常高速運轉之前要輸入給定的速度值以及比例、積分、微分調節系數，因此在主程序中需要加入按鍵中斷子程序?？紤]到硬件電路設計中鍵盤輸入電路的設計，需要使用I2C總線通信的方式與ZLG7290芯片進行通信，所以在按鍵中斷子程序設計中加入了讀子程序設計以及寫子程序設計等。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 故障中斷子程序設計

當電路出現欠壓、短路等故障時，智能功率模塊發出一個電平信號經INT中斷輸入引腳給控制器，控制器收到這個信號后就產生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的安全。故障中斷子程序流程圖略——編者注。

4 實驗現象及結論

測試各硬件設備的連接，系統上電，此時由PIC16F1508單片機發出的4路控制波形略——編者注。PIC16F1508單片機可以發出控制開關磁阻電機運轉的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。

由功率驅動芯片FCAS20DN60BB的數據手冊可知，最佳載波頻率為3 kHz，此時開關磁阻電機的調速范圍略——編者注。開關磁阻電機的轉速與PWM的占空比不是嚴格的比例關系，而是存在一定的誤差。理論轉速與實際轉速的相對誤差的平均值為0.1%，滿足應用的要求。

結 語

由此可見，以PIC16F1508單片機為核心設計的開關磁阻電機伺服控制系統，不僅結構簡單，大大減少了外部邏輯器件的使用，而且性能穩定，可靠性得到提高。本系統的設計可以為其他電機設計者提供借鑒。

[1] 王曉明.電動機的ADSP控制—ADI公司ADSP應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2] Microchip.PIC16(L)F1508/9數據手冊2014.

[3] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[4] 廣州周立功單片機發展有限公司.ZLG7290 I2C接口鍵盤及LED 驅動器2014.

趙波、李玉美(碩士研究生)，研究方向為工業過程自動化；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)