基于SPMC75的無刷直流電動(dòng)機(jī)變頻控制

董昌春，孔祥洪

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，上海 201411；2.上海水產(chǎn)大學(xué) 信息學(xué)院，上海201300）

基于SPMC75的無刷直流電動(dòng)機(jī)變頻控制

董昌春1，孔祥洪2

（1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，上海 201411；2.上海水產(chǎn)大學(xué) 信息學(xué)院，上海201300）

為了實(shí)現(xiàn)三相無刷直流電動(dòng)機(jī)變頻控制，設(shè)計(jì)了以16位變頻芯片SPMC75F2413A單片機(jī)為控制核心的測(cè)試系統(tǒng)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用功率器件智能模塊IPM PS21563和霍爾傳感位置偵測(cè)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)算法來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和調(diào)速。試驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活，達(dá)到了對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)變頻調(diào)速的控制要求。

SPMC75F2413A單片機(jī)；無刷直流電動(dòng)機(jī)；變頻控制

本文利用SPMC75F2413A來實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的變頻控制,其為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)專用芯片，方便產(chǎn)生各種驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)采用機(jī)械換向裝置，運(yùn)行時(shí)電刷和換向器之間產(chǎn)生噪聲、火花、電磁干擾，無刷直流電動(dòng)機(jī)BLDC采用電子換向器，不僅運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、調(diào)速性能好，而且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。

1　控制原理

1.1無刷直流電動(dòng)機(jī)控制原理

無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制原理簡圖如圖1。主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5～24 kHz調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產(chǎn)生V6－V1導(dǎo)通、V5－V6導(dǎo)通、V4－V5導(dǎo)通、V3－V4導(dǎo)通、V2－V3導(dǎo)通、V1－V2導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在U－> V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)［1,2］。

圖1　無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制原理簡圖

H1、H2和H3是霍爾傳感器的3個(gè)信號(hào)出線，V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5 3個(gè)功率管，下橋的V2、V4和V6 3個(gè)功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向。

1.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)

IGBT信號(hào)的分配和電動(dòng)機(jī)的位置有著緊密的聯(lián)系，本方案無刷直流電動(dòng)機(jī)采用120度方波的算法驅(qū)動(dòng)IPM的內(nèi)置IGBT。根據(jù)位置狀態(tài)信息來分配IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，010、011、001、101、100和110是從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號(hào)經(jīng)過編碼后的6種狀態(tài)。在此通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在無刷直流電動(dòng)機(jī)上的端電壓，選用IGBT的下橋臂分配高低電平，上橋臂分配PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)方式。信號(hào)分配和位置關(guān)系如圖2所示。

圖2　位置驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)系

正轉(zhuǎn)的位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系如圖2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的順序換流，根據(jù)位置信號(hào)給出反轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的換流關(guān)系：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。

圖3指出了在控制信號(hào)的作用下各相的電壓、電流方向的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是通過控制各個(gè)功率管的開/關(guān)，使得電流依序流入U(xiǎn)、V、W三相線圈。

圖3　電流時(shí)序

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)［3-5］主要包括：控制器系統(tǒng)，IPM模塊及驅(qū)動(dòng)，位置偵測(cè)，RS232通信和電源5個(gè)部分，各部分的框圖如圖4所示。

利用SPMC75的變頻技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)機(jī)內(nèi)部安裝的霍爾傳感器方便了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其對(duì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行偵測(cè)，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置決定下個(gè)激磁相。自身具備保護(hù)機(jī)能的IPM模塊及驅(qū)動(dòng)，簡化了SPMC75控制器和無刷直流電動(dòng)機(jī)之間的聯(lián)系，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖4　系統(tǒng)框圖

3　軟件算法

在本控制系統(tǒng)中，由輸入和輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，它是一個(gè)離散控制系統(tǒng)，PID控制器采用差分方程表示，有：

其中：u（k）――k次采樣周期的輸出

e（k）――k次采樣周期的偏差

T――采樣周期

在式（1）中，令：Δe（k）=e（k）-e（k-1）則有：

在上式（2）中，令：Ki=Kp/Ti，Kd=Kp*Td

則有：

由于

并且

Δe（k）=e（k）-e（k-1）

Δe（k-1）=e（k-1）-e（k-2）

所以有

上式也可以寫成

在純比例控制的作用下改變比例系數(shù)求出產(chǎn)生臨界振蕩的振蕩周期Tu和臨界比例系數(shù)Ku。

根據(jù)Z－N條件，有

T=0.1Tu

Ti=0.5 Tu

Td=0.125 Tu

代入式（7）則有：

采用上式可以十分容易的實(shí)現(xiàn)常數(shù)Kp的校正。

4　軟件流程

利用中斷對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，涉及到的中斷主要有：IRQ0的錯(cuò)誤輸入和輸出中斷、IRQ1的PDC和TCV中斷、IRQ6的UART RXD中斷及CMT0的定時(shí)中斷。主程序［4,6］主要完成系統(tǒng)必要的初始化，主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5　主程序設(shè)計(jì)流程圖

PDC、TCV、RXD和CMT0等中斷協(xié)助完成對(duì)BLDC的啟動(dòng)、運(yùn)行、速度調(diào)節(jié)和錯(cuò)誤保護(hù)的控制。PDC、TCV中斷操作流程如圖6所示。

圖6　PDC、TCV中斷操作流程

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用120度上相PWM方波驅(qū)動(dòng)帶霍爾位置傳感的無刷直流電動(dòng)機(jī)并應(yīng)用PID控制［7］，利用SPMC75的變頻技術(shù)來進(jìn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相繞組無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)［8-9］和調(diào)速。

［1］張琛.無刷直流電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.5版..北京：國防工業(yè)出版社,2007.

［3］Sunplus.SPMC75F2413A.編程指南V1.1［M］.北京：SUNNORTH.

［4］Sunplus.SPMC75系列單片機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)V1.1［M］.北京:SUN NORTH.

［5］張志良.單片機(jī)原理與控制技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［6］李曉白.凌陽16位單片機(jī)C語言開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［7］李博，馬訓(xùn)鳴，霍建鋒.基于PID的變量馬達(dá)恒速控制系統(tǒng)研究［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）：231-234.

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［9］趙云山，趙書君，王德軍.基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的電力信息系統(tǒng)快速開發(fā)方法［J］.電力信息與通信技術(shù)，2014（1）：107-112.

Brushless DC motor's variable-frequency control based on SPMC75

DONG Chang-chun1,KONG Xiang-hong2
（1.Department of Computer Application，Shanghai Technical Institute of Electronics&Information，Shanghai 201411,China；2.College of Information，Shanghai Fisheries University，Shanghai 201300,China）

This paper designed a system which took SPMC75 microcontroller as the core to realize the brushless DC motor's variable-frequency control.And designed the hardware and software of the system.It used Intelligent Power Module PS21563 and a hall sensor,combined with the driven algorithm to realize the brushless DC motor's drive and variable-frequency control. The test result showed that the system meet our requirements.

SPMC75F2413A；brushless DC motor；variable-frequency control

TN609

A

1674－6236（2016）13-0101-03

2015-04-22稿件編號(hào)：201504244

董昌春（1978—），男，山東青島人，碩士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。