小功率永磁同步電機無(wú)速度傳感控制器

　　一、序言

　　在傳統的交流矢量變換控制系統中，速度傳感器是必不可少的。對于普通的交流電機，速度傳感器的作用有三：其一是獲得速度反饋信號，實(shí)現速度的閉環(huán)控制;其二是與轉差角頻率相加得到定子電流角頻率給定值，進(jìn)行頻率控制;其三是在低速范圍用電流模型觀(guān)測轉子磁通，進(jìn)行磁場(chǎng)定向控制。若實(shí)現PMSM的矢量控制，使定子電流的方向與永磁體產(chǎn)生的磁通方向在空間正交，還需要位置傳感器，以確定轉子磁極位置，依據位置信息，通過(guò)控制電路，以正確相位和相序，向三相定子繞組供電，通過(guò)交變的定子電流產(chǎn)生恒定的轉矩，從而實(shí)現系統的精確控制。電機速度和磁極位置的檢測，多數采用光電編碼器或者旋轉變壓器等機械傳感器，在實(shí)際應用中，存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

　　(一)高精度速度傳感器的價(jià)格昂貴，對一些小容量設各，顯著(zhù)增加了系統開(kāi)發(fā)的成本(包括傳感器和電子線(xiàn)路)。

　　(二)速度傳感器安裝困難，存在同心度問(wèn)題，只有在特殊加工的電機中，該問(wèn)題才能得到較為滿(mǎn)意的解決，而在一般電機中，由于安裝存在的問(wèn)題，速度傳感器常成為系統的故障源，使系統的機械魯棒性大為降低，也給維護帶來(lái)了困難。

　　(三)速度信號的傳遞受距離的限制，如果距離長(cháng)，會(huì )帶來(lái)許多干擾信號，因此只限于一些性能很高的場(chǎng)合，這就大大限制了應用范圍:

　　(四)在選用變頻器時(shí)必須顧及速度傳感器的參數，使其匹配，互換性差;

　　(五)在惡劣環(huán)境中，由于多數傳感器內部及輸出信號都為弱電平，抗電磁干擾的能力較差，溫度、濕度、振動(dòng)等的影響會(huì )造成傳感器的性能小穩定，制約檢測的精確度。如果采用旋轉變壓器，經(jīng)信號處理得到速度和磁極位置信息，解調過(guò)程較復雜，增加了硬、軟件的復雜性和控制策略的難度:

　　(六)所有的傳感器對電機的驅動(dòng)軸都會(huì )產(chǎn)生一定程度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦，同時(shí)附加于電機軸上一定慣性。

　　以第三代永磁材料-釹鐵硼(NdFeB)造出來(lái)的永磁同步電動(dòng)機(PMSM)具有體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，在工農業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防和日常生活中得到日益廣泛應用，同時(shí)我國稀土資源豐富，因此研究和開(kāi)發(fā)高效稀土永磁同步電動(dòng)機，變稀土資源出口為高附加值的稀土永磁電機產(chǎn)品出口，能夠促進(jìn)電機行業(yè)、風(fēng)機水泵行業(yè)的產(chǎn)品結構調整和更新?lián)Q代，從而創(chuàng )造巨大的經(jīng)濟效益，因此永磁同步電機控制器的研究與開(kāi)發(fā)具有很好的應用價(jià)值。

　　二、實(shí)現方法

　　AVR單片機介紹和IRMCF341芯片

　　本方案擬采用ATMEL公司的ATmega64單片機和IRMCF341這種高性能家電用無(wú)傳感器正弦波電機控制IC來(lái)實(shí)現。

　　ATmega64：

　　高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領(lǐng)市場(chǎng)、賴(lài)以生存的必要條件。

　　早期單片機主要由于工藝及設計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩妥方案：即采用較高的分頻系數對時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(cháng)，執行速度慢。以后的 CMOS單片機雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(guān)(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡(jiǎn)指令集單片機(RISC)問(wèn)世,但依然沿襲對時(shí)鐘分頻的作法。

　　AVR單片機的推出，徹底打破這種舊設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法;采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(cháng)度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預取指令，實(shí)現流水作業(yè)，故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。

　　Atmel公司在1997年研發(fā)的采用哈弗結構的RISC單片機AVR吸取了PIC及8051等系列的單片機的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在內部結構上還做了一些重大的改進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

　　內嵌高質(zhì)量的FLASH程序存儲器，可反復擦寫(xiě)，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調試、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、更新，內嵌長(cháng)壽命的EEPROM，可長(cháng)期保存關(guān)鍵數據，避免斷電丟失。片內大容量的RAM不僅能滿(mǎn)足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也能更有效的支持使用高級語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統程序。

　　高速度、低功耗，具有SLEEP功能。AVR的一條指令執行周期可達50ns，而耗電則在1uA~2.5mA之間。AVR采用Harvard結構，以及一級流水線(xiàn)的預取指令功能，即對程序的讀取和數據的操作使用不同的數據總線(xiàn)，因此，當執行某一指令時(shí)，下一指令被預先從程序存儲器中取出，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內被執行。

　　外設豐富。AVR單片機包含的外設有SPI、EEPROM、RTC、看門(mén)狗定時(shí)器、ADC、PWN和片內振蕩器等，可以真正做到單片。

　　抗干擾性好。有看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)安全保護，可防止程序走飛，提高產(chǎn)品的抗干擾性。此外，電源抗干擾能錄也很強。

　　高度保密?？啥啻螣龑?xiě)的FLASH具有多重密碼保護鎖定(LOCK)功能，因此可低價(jià)快速完成商品化，且可多次更改程序(產(chǎn)品升級)，方便了系統調試，而且不必浪費IC或電路板，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力。

　　驅動(dòng)能力強。具有大電流：10~20mA(輸出電流)或40mA(吸電流)，可直接驅動(dòng)LED、SSR或繼電器。

　　低功耗。具有六種休眠功能，能夠從低功耗模式迅速喚醒。

　　超功能精簡(jiǎn)指令。具有32個(gè)通用工作寄存器(相當于8051的32個(gè)累加器)，克服了單一累加器數據處理造成的瓶頸現象。

　　中斷向量豐富。具有34個(gè)中斷源，不同中斷向量入口地址不一樣，可快速響應中斷。

　　可靠性高。AVR單片機內部有電源上電啟動(dòng)計數器，當系統RESSET復位上電后，利用內部的RC看門(mén)狗定時(shí)器，可延遲MCU在系統電源、外部電路達到穩定后再正式開(kāi)始執行程序，提高了系統工作的可靠性，同時(shí)也可節省外加的復位延時(shí)電路。此外，內置的電源上電復位(POR)和電源掉點(diǎn)檢測(BOD)，也有效提高了單片機的可靠性。

　　IRMCF341：

　　IRMCF341 是IR 公司新推出的針對家用電器永磁交流電機應用的正弦波單片控制集成電路。與傳統的單片機或DSP 方案不同的是，IRMCF341 通過(guò)專(zhuān)有的電機控制引擎(MCETM)提供了完善的永磁同步電機無(wú)傳感器閉環(huán)控制算法。電機控制引擎(MCETM)包含了所有的電機控制要素、電機外設、專(zhuān)有的運動(dòng)控制時(shí)序發(fā)生器以及用于交換數據的雙端口RAM。IRMCF341 還具有一套專(zhuān)有的模數混合電路來(lái)實(shí)現單電阻電流采樣以及電機電流重構算法，只需要一個(gè)直流負母線(xiàn)上電阻就可完成電機電流采樣和重構，大大簡(jiǎn)化了系統設計并降低了系統成本。

　　IRMCF341 的另一個(gè)特點(diǎn)就是不需要用戶(hù)編寫(xiě)電機控制程序，用戶(hù)可以通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用的圖形編譯器在MATLAB/SimulinkTM 環(huán)境下以搭積木的方式構建自己的電機控制系統(一般是自定義速度環(huán)功能)。IRMCF341 還具有嵌入式的高速8 位8051 核，用戶(hù)可以很靈活地通過(guò)8051 編程來(lái)實(shí)現時(shí)序控制、用戶(hù)接口、主機通訊以及上層控制任務(wù)等系統實(shí)際需要的功能。該8051 核可以通過(guò)JTAG 口來(lái)進(jìn)行仿真和調試(可使用FS2 公司的ISA-M8051EW 仿真器或支持Mentor 公司M8051EW 核的其它仿真器)。下圖是一個(gè)基于IRCF341的典型系統結構框圖。

　　IRMCF341 是針對開(kāi)發(fā)階段的版本，其48K 的程序存儲器為RAM，可以很方便地從外部

　　EEPROM 載入8051 和MCE 控制代碼。批量生產(chǎn)時(shí)可以使用引腳完全相同的OTP 版本或掩模版本。

　　三、設計內容

　　本次課題所研究的內容有三個(gè)方面：

　　(一). 電機轉速的估計算法

　　這是本次設計最關(guān)鍵的地方，將研究電機轉速的估計方法，如何設計一種實(shí)用高效的轉速估計算法將是本次課題的核心研究?jì)热荨?/p>

　　本次設計采用的估計算法是磁通運算法，即利用同步電機的端電壓、端電流和電動(dòng)機的其它參數，通過(guò)電動(dòng)機的理想數學(xué)模型直接或間接地計算轉速。

　　在具體介紹該算法之前還需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題---磁通矢量的觀(guān)測和電動(dòng)機參數的誤差控制。

　　1、磁通矢量的觀(guān)測

　　為了正確推算速度，磁通矢量的觀(guān)測是不可少的。本次設計是利用電動(dòng)機的電壓、電流、轉速信號及電動(dòng)機參數，經(jīng)不同數模運算后，求出磁通矢量。一般采用兩類(lèi)數學(xué)模型：

　　2、電動(dòng)機參數的誤差控制

　　利用該方法測量電動(dòng)機轉速，其前提是電動(dòng)機的參數必須設定正確。若設定值變化，將會(huì )影響到推算值的精度。其中參數中影響最大的是定子電阻和轉子電阻，它們隨電動(dòng)機溫度的變化而變化。

　　從理論上說(shuō)，定子電阻和轉子電阻均可與轉速一起自適應觀(guān)測器進(jìn)行觀(guān)測?？墒?，從公式來(lái)看，在穩態(tài)時(shí)轉子電阻用Rr/S表示(S為轉差率)，其誤差只與轉速有關(guān)。因此，無(wú)速度傳感器系統進(jìn)行轉子電阻的自適應觀(guān)測實(shí)際做不到。一般可用下面的公式進(jìn)行定子電阻自適應調整，轉子電阻只能是考慮與定子電阻類(lèi)似的溫度變化函數，進(jìn)行比例修正。

　　C：系統單元電路

　　a：相電壓檢測

　　相電壓檢測由分壓電阻、電壓檢測(絕緣式電壓傳感器)、濾波電路三部分組成。由于主電路為高壓，必須重視主電路和控制電路間的絕緣，選用絕緣性能好的電壓傳感器。

　　b：相電流檢測

相電流檢測采用霍爾式電流傳感器，其