80C196MH在方波型三相直流無(wú)刷電機中的應用
關(guān)鍵字:直流無(wú)刷電機;PWM控制;調制
0 引言
近幾年來(lái),隨著(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,永磁無(wú)刷直流電機的本體及其相關(guān)控制技術(shù)得到迅猛的發(fā)展。永磁無(wú)刷直流電機有著(zhù)噪音低、效率高、控制簡(jiǎn)單、功率密度高等諸多優(yōu)點(diǎn),因此在交通、航空、航天、軍工、伺服控制以及家電領(lǐng)域得到廣泛應用。
對方波型無(wú)刷直流電機的控制方式主要有H_PWM_L_0N調制方式、H_ON_L_PWM調制方式、H-PWMLPWM調制方式等。
本文介紹如何用80C196MH來(lái)實(shí)現H_WM_L_0N調制方式,并在上管進(jìn)行PWM調制時(shí),對應下管進(jìn)行互補PWM調制,改進(jìn)了電機減速停機性能,從而更好地對電機轉速進(jìn)行控制。Intel80C196MH是專(zhuān)門(mén)為電機高速控制所設計,它是由CHMOS電路構成,功耗低,并具有省電的工作方式,所以也適合集成于各種電路中長(cháng)期使用,可靠性極高。
l 系統組成
典型的永磁無(wú)刷直流電機控制系統如圖1所示。它由電機本體、逆變器、位置傳感器、控制器組成。
在本文中,變頻器采用了富十公司R系列IPM模塊。IPM模塊內含驅動(dòng)電路和保護電路??刂菩酒?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/80C">80C196MH發(fā)出的6路PWM控制信號經(jīng)過(guò)光耦TIP52l與驅動(dòng)電路隔離。lPM保護信號經(jīng)光耦連至80C196MH的EXTINT功率驅動(dòng)保護中斷引腳,該引腳檢測到低電平后,80C196MH控制器立刻將所有WG輸出腳(PWM)設置為高電平,關(guān)斷所有的IGBT。
對于方波型無(wú)刷直流電機,一般采用120控制方式。脈寬120的電機和傳統正弦波電機相比,具有整流電壓脈動(dòng)小,轉矩脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。
2 調制方式
本文所采取的PWM調制方式基本屬于H_PWM_L_ON調制方式,即上橋臂PWM調制,下橋臂恒通;為了適應電機制動(dòng)過(guò)程的需要,在該PWM調制策略的基礎之上,加了互補調制策略,即當上橋臂開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM凋制時(shí),則對應同一橋臂的下橋臂開(kāi)關(guān)管處于與七橋臂開(kāi)關(guān)管互補調制的狀態(tài)。這意味著(zhù),當上橋臂開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí),下橋臂開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài),而當上橋臂開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),下橋臂開(kāi)關(guān)管處于開(kāi)通狀態(tài)。觸發(fā)脈沖分配的原理如圖2所示(低電平有效,T表示節拍)。
采用這種調制方式,電機在減速和制動(dòng)過(guò)程中有一定的優(yōu)勢,下面以減速過(guò)程為例來(lái)進(jìn)行分析。在急劇減速階段,因為隨著(zhù)觸發(fā)脈沖寬度的減小,輸出電壓平均值立即下降,但是,由于系統的機械慣性大于電磁慣性,在電源輸出電壓下降瞬間,轉速并未下降,因此,造成電機繞組反電動(dòng)勢電壓高于電源電壓,從而使電機處于再生發(fā)電狀態(tài),能量回饋到直流電源,所產(chǎn)生的電磁轉矩作為制動(dòng)轉矩使轉速下降。隨著(zhù)轉速下降,電樞反電動(dòng)勢也下降,再生發(fā)電狀態(tài)消失。
設以電流從A相流到C相為例分析。A相上橋臂調制(S1),C相下橋臂恒通(S2),同時(shí),S4和S1處于互補調制狀態(tài),如圖3(a)所示。因為電機處于急劇減速狀態(tài),所以電源輸出到電機的平均電壓UAC要低于電機繞組反電動(dòng)勢平均值eAC表示A、C兩相繞組端子之間的反電動(dòng)勢,可以看作一個(gè)電壓源),如圖3(b)所示。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的DoT階段(Do=1一D,D為占空比,T為開(kāi)關(guān)周期),開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷,S4開(kāi)通,由于繞組呈現感性,相電流方向iA不變,此時(shí)電流通過(guò)S2、D4續流。到該電流衰減到零時(shí),由于平均反電動(dòng)勢eAC高于平均直流電壓UAC,對于直流電源來(lái)說(shuō),電機相當于一個(gè)直流電壓源,則在反電動(dòng)勢作用下,相電流iA反向,因為此時(shí)S4處于開(kāi)通狀態(tài),所以該再生電流通過(guò)S4和D2被引入電機繞組,而直流母線(xiàn)電流為零。該再生電流對此時(shí)處于正轉的電機來(lái)說(shuō),為制動(dòng)轉矩。在DT階段,S1開(kāi)通,S4關(guān)斷;因為S4關(guān)斷導致再生電流立即改變流通途徑,通過(guò)D1、D2反向流過(guò)直流母線(xiàn)開(kāi)始衰減,此時(shí)S1,開(kāi)通但沒(méi)有電流流過(guò)。當該電流衰減至零時(shí),S1、S2中開(kāi)始流過(guò)電流并逐漸上升,一直持續到S1關(guān)斷為止。
從以上分析過(guò)程看出,這種互補調制方式將改變減速過(guò)程中繞組電流的流向,使電機繞組產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩,有利于更快地減速,此時(shí)直流電流變?yōu)樨撝?,對直流端電容充電。本系統采用不控整流所得到的直流電壓為電機供電,因此無(wú)法將能量回饋到電網(wǎng),需要一個(gè)途徑將反饋到直流側的能量釋放。為此在電路中并聯(lián)了一個(gè)由開(kāi)關(guān)器件控制導通的功率電阻,當直流側的電壓達到一定的值時(shí),部分能量就通過(guò)電阻以熱能的形式消耗掉。電阻發(fā)熱釋放能量的方式是一種迫不得已的手段。這種方法適用于不經(jīng)常制動(dòng)和減速的情況,如果電機需頻繁制動(dòng)和減速,可以考慮使用能量可回饋的變流電路。
3 調制方式的軟件實(shí)現
80C196MH內部自帶EPA和WC功能模塊。WG波形發(fā)生器需要用到如下幾個(gè)寄存器:WG_COUNT(加/減時(shí)基寄存器)、G_RELOAD(重裝載寄存器,決定PWM的載波頻率)、WG_COM_Px(相比較寄存器,決定PWM的占空比)、WG_CON(WG控制寄存器)和WG_OUT(輸出控制緩沖寄存器)。其中WG_CON設置WC的方式(如占空比的裝載方式),WG_OUT用來(lái)選擇6個(gè)輸出引腳上的輸出信號(高電平、低電平或PWM)。
當PWM的占空比最大(100%)時(shí),其輸出電壓平均值最大,占空比最小(0%)時(shí),其輸出的電壓為O。因此,AMP數據與占空比是成正比的。在程序中,占空比的值存儲在寄存器AMPLUDE中。占空比(AMPLITUDE)_WG_OMP/WG_RELOAD,考慮到表格數據以及規格化(100%_0FFFFH),故有:
式中:WG_COMP為裝入相比較寄存器的值;
AMP為由查表得到的電流幅值;
WG_RELOAD為載波周期(本系統采用邊緣對準PWM方式3)。
AMPWG_RELOAD得到32位的乘積,只取其高位字,就實(shí)現了除以216的操作。
利用80C196MH的EPA和WG功能模塊,根據換相順序確定輸出6路PWM信號和電平信號。增加了互補策略的H_PWM_L_ON調制方式的波形輸出時(shí)序如表1所列。
表中:WG1和WG1(P6.0和P6.1)表示相1信號;
WG2和WG2(P6.2和P6.3)表示相2信號;
WG3和WG3(P6.4和P6.5)表示相3信號;
WFG表示引腳上出現PWM波形。
PO 2、PO.1、PO.O用來(lái)表示位置信號在程序節拍號由電機傳送給單片機的位置信號來(lái)表示。在本系統中,位置信號傳給單片機的PO.2、PO.l、PO.O。根據位置信號的改變來(lái)改變WG_OUT寄存器的輸出,從而進(jìn)行換相。
根據前面給出的波形輸出時(shí)序,圖4給出了換相子程序的流程圖。在本系統中,占空比的設置在波形發(fā)生器中斷服務(wù)程序中完成的,因此,在這里只需要設置WG_OUT來(lái)改變波形發(fā)生器的輸出值。
4 實(shí)驗結論
根據以上的控制策略,制作了一臺永磁直流無(wú)刷電機的樣機,并將它應用于工業(yè)縫紉機。圖5是實(shí)驗過(guò)程中得到的母線(xiàn)電流波形。如圖5中所示,在電機正常工作時(shí),母線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生負電流,這是由下管的換向引起的。在實(shí)際應用中,可以采用換向延遲的方法來(lái)改善正常工作時(shí)母線(xiàn)電流的波形。
圖6是停機過(guò)程母線(xiàn)電流波形,在電機停機過(guò)程中,由于電機處于再生制動(dòng)狀態(tài),直流母線(xiàn)的平均電流為負值,電機作發(fā)電機運行,獲得了較大的制動(dòng)力矩,從而使電機能夠快速地停機。
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