无传感器无刷直流电机变频控制技术方案

无传感器无刷直流电机变频控制技术方案第一章引言1．1介绍该文档介绍了使用MC9S08MP16低成本的无传感器无刷直流梯形电机闭环速度控制设计。该设计针对消费，自动化工业应用。该解决方案受益于飞思卡尔半导体公司MC9S08MP16设备的控制特征。1.1.1应用特征及组件该系统的设计通过梯形back-EMF来驱动3相无刷直流电机（BLDC），该应用特征如下，a.使用MC9S08MP16微控制器无刷直流电机通过6步换向控制（60度，120度控制）。b.无传感器3相梯形。——星心和三角形3相连接的电机。back-EMF的零通过特征用于确定转子位置来同步6步交换。——MC9S08MP16内置了高速的比较器（HSCMP）检测back-EMF电压的零通过。——三个无传感器同步换向控制策略合并：—换向时刻的计算直接在两个back-EMF零通过之间的某个时刻。—换向周期与back-EMF零通过按照一个相差（同步PLL）进行同步。—瞬时换向周期由电机电压在一个闭环内按照一个相差（驱动PLL）进行驱动控制。c.控制加速与减速。d.双向旋转e.电机和发电机两种模式f.可能的两种PWM技术（由代码的编译选项决定）——单极的PWM换向——双极的PWM换向g.PWM频率为20kHz。h.由个人电脑使用FreeMASTER软件工具进行控制。i.软件过电压及低电压保护j.硬件过电流保护k.三相低电压（24V）电源板l.MC9S08MP16控制子板m.FreeMASTER软件控制界面（电机开启/停止，速度设置）n.FreeMASTER软件监视。——FreeMASTER软件图形控制界面（要求速度，实际速度，起停状态，直流电压水平，电机电流，系统状态）——FreeMASTER软件速度范围给顾客的主要应用组件——软件——使用C代码并使用适用于HCS08一些算法库。——硬件——基于飞思卡尔通用电机的硬件控制模块。——该文档1.1.2无传感器无刷直流电机多样速度驱动总览代替了标准的有刷直流电机及各种速度的电机，使用免维护无刷电机是一个趋势。该低成本的多速度三相电机控制驱动成为设计者及半导体提供商的主要焦点。有如下几个推动因素：a.耗能低。b.通过使用电子换向灵活性大。c.电力设备成熟水平及价格。d.微控制器驱动控制提供的系统的效能e.对于给定机械功率，电机的尺寸、重量及耗散功率的减少对于无刷驱动的一个优势的解决方法是转子为永磁体的同步电机。这些电机通过转子磁场产生的磁通量获得很高的效能。因此，它们用在需要更高稳定性，功率及尺寸效能的设备中。例如，冰箱，洗衣机，洗碗机，泵，风扇，电子转向，及其它设备及汽车电器中。使用永磁体的三相同步电机有两种非常流行的变体。正弦PM同步电机及梯形BLDC电机。正弦PM同步电机非常类似于梯形BLDC（电子换向）电机，它们主要有两大不同：a.电机结构：——BEMF感应电压的形状——正弦（PM同步电机）与梯形BLDC电机比较。b.控制——控制电压的形状：——3相正弦（所有这些相在某一时刻连接）与巨型6步换向（任何时候都有一相不传导）。对于任何大型生产设备，控制系统的费用是一个非常敏感的参数。使用简单的6步换向及转自位置测定技术，梯形BLDC电机是一个性价比较高的选择。这需要使用一个性价比较高的8位微控制器。BLDC电机控制系统需要对转子位置的检测产生同步换向。转子位置检测可以通过霍尔传感器或者无传感器技术实现。无传感器位置检测节省了系统的花费。它代替了霍尔传感器，电缆及链接器，实现了更低的系统消耗，更高的稳定性及更少的轴套（重要的，例如对于压缩机）。一个试验比较不错的方法是使用电机back-EMF零通过的无传导相。该方法可以很容易地在8位微控制器上使用。HCS08MP16是该应用的非常好的选择，由于它的外围例如定时器（脉宽调制器）模块，高速比较器，及其它。该参考设计手册描述了基本电机理论，系统设计概念，硬件完成，及软件设计包括FreeMASTER软件图形工具。1．2飞思卡尔控制器的优点及特征MC9S08MP16是HCS08家族低成本高性能的8位微处理器。所有该家族的微控制器使用增强的HCS08核心，并有多种模块，存储大小，内存类型及封装类型。飞思卡尔MC9S08MP16微处理器为数字电机控制提供了多种精确的外围，例如，定时器（脉宽调制器）（FTM）模块，模拟转数字（ADC）模块，定时器，总线通讯（SCI，SPI，IIC），以及Flash和RAM。MC9S08MP16设备提供如下几个特征：a.包括8个通道的2个定时器（脉宽调制器）模块b.13通道，12位，2.5us转换时间的模拟数字转换器（ADC）c.包括8位预分频器的一个8位计数器和溢出中断。d.四个可编程的中断优先等级的中断优先控制器（IPC）。e.编程等级（x1，x2,x4,x8,x16,x32）一个差分式可编程等级的放大器（PGA）f.包括正电及负电的三个快速模拟比较器（HSCMP1,HSCMP2,HSCMP3）g.三个5位数字转模拟（DAC）用于32拍电压参考。h.两个可编程的延时块（PDB），PDB1通过ADC采样同步PWM，PDB2通过模拟比较器同步PWM。PWM输出与FTMPWM输出同步。i.一个串行外围接口（SPI）j.LIN从模式的一个串行通信接口（SCI）k.一个IIC接口l.板级电压3.3V到2.5V，用于内部逻辑及存储。m.集成的上电复位及低电压中断模块。n.所有引脚具有多样的通用输入输出口。（GPIO）o.适宜的看门狗定时器，（COP）p.外部复位输入脚用于外部硬件复位。q.单线的调试接口（BDM）r.内部时钟源——包括一个由内部及外部参考控制的锁频环。1.2.1外围设备应用无传感器BLDC受益于灵活的PWM模块，高速HSCMP比较器，快速ADC，PDB延时块及模块（定时器MTIM）。定时器（脉宽调制器）（FTM）提供灵活的设置，使之可以有效控制3相电机及BLDC电机3相的换向。每一个FTM模块支持初始化触发功能用于触发一对延时块（PDB）。FTM1（定时器（脉宽调制器））用于如下设备：a.用于测速电机周期信号的输入捕捉模式。b.HSCMP输出连接到FTM1的输入用于back-EMF电压的零通过的检测。FTM2（定时器（脉宽调制器））用于如下设备：a.产生六个PWM信号b.联合与互补模式结合起来c.固定时间插入d.错误保护使能外部过电流错误触发。e.同步PWM寄存器更新定时器溢出事件。f.同步PWM输出配置按照6步BLDC换向器调整FTM1。g.硬件触发，ACD同步PWM信号（可选的特征，不是设备功能要求的）。h.ADC用在该设备中：i.由PDB1产生的硬件触发开启ADC。j.线性连续12位方案。k.高速转换l.5MHz模块时钟。m.PDB1（编程延时块）特征用在该设备中（可选择的，不是必需的）n.从FTM模块SYNC输出到触发可编程放大输入及ADC的可控制的延时。PDB2用在该设备中：a.窗模式同步FTM2（电机相位（PWM））。b.PDB2产生一个窗用于比较器HSCMP1与零通过的比较，同步FTM2（电机相位（PWM））。c.硬件及软件触发均可。d.HSCMP2（高速比较器）用在该设备中：e.用于转子位置反馈的3相back-EMF电压的零通过的检测。f.产生FTM1输入对零通过瞬时检测的捕捉，DACx用在该设备中：a.设置HSCCMPx的比较电压。b.MTIM（模块定时器）用在该设备中：c.８位模块有限定时。d.设置该时间用于速度控制及长时间定时回环。e.溢出中断1．3写在前面的话1.3.1参考书目1.3.2缩略词及术语表1-1包含了该文档中的缩略词及术语表1-1缩略词及术语条目含义AC交变电流ADC模拟到数字转换器BDM背景调试模式Back-EMF后端电磁力，该例中，由BLDC电机旋转产生的电压（反电动势）BLDC电机无刷DC电机，该文中，是指使用永磁体及梯形BEMF形状的同步电子换向电机。COP电脑正确控制（看门狗定时器）DT固定时间：一个很短的时间，必须插入到转换半桥中关闭一个晶闸管和打开一个互补的晶闸管之间，这是由于晶体管转换速度的限制。DC-Bus3相电源直接电流GPIO通用输入输出并口。FTMx定时器（脉宽调制器）模块HSCMP2高速比较器模块2I/O电脑系统和外部设备连接的的输入/输出接口LED发光二极管MC9S08MP16飞思卡尔HCS08家族用于电机控制MTIM模块定时器PDBx可编程的延时块x（=1或2）PLL锁相环：一个时钟发生电路，振荡器产生一震荡时钟同步参考信号。同步PLL同步闭环相位。一个闭环，换向周期与转子位置按照一个相位差同步强迫PLL强迫换向锁相环。一个闭环系统，3相电压放大系统由一个相位差控制。PM永磁体永磁同步电机永磁同步电机。该文中，这是指通过正弦BEMF形状同步电机PWM脉宽调制RPM每分钟转速SCI串行通信接口模块：支持异步通信SPI串行外围模块6步换向一种换向技术用于给梯形BLDC电机提供旋转磁场。有时也称为60度，120度控制。1.3.3符号术语表1-2显示了该文中符号术语表1-2符号术语条目含义𝐶𝑍𝐶𝑡oCMT一个常数，计算back-EMF零通过到换向的时间𝑓𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚∗换向估计频率𝑝𝑝定子极数对P定子电极个数PeriodCmtPreset预设周期换向periodZCFlt在两个连续的back-EMF零通过发生时刻滤过的时间PeriodZCtoCmt从back-EMF零通过到换向的时间𝑡𝐶𝑀𝑇,𝑡𝑖𝑚𝑒𝐶𝑚𝑡BLDC（6步）换向时刻𝑡𝑍𝐶back-EMF零通过发生时刻𝑡𝑍𝐶𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑑back-EMF零通过发生时刻𝑡𝑍𝐶𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚∗评估back-EMF零通过发生时刻𝑇𝑒𝑥𝑡𝑖𝑚换向周期评估𝑇𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑑强迫back-EMF零通过到换向的时间𝑇𝑍𝐶,𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑𝑍𝐶在两个连续的back-EMF零通过发生时刻的时间periodZC0先前的两个连续的back-EMF零通过发生时刻的时间𝑇𝑍𝐶𝑒rror评估的与实际的back-EMF零通过发生时刻相差𝑉𝐵𝐿𝐷𝐶BLDC电机运行电压，3相系统电压振幅第二章控制理论2.13相BLDC电机无刷直流电机（BLDC电机）就是通常所说的电子换向电机。在转子上没有电刷，并且在转子特定的位置实现电子换向。定子磁场电流通常是由一组磁化的钢片产生。定子绕组插入在一个个槽中（分布的绕组）见图2-1，或者在磁场电极上绕成圈。永磁体的磁场在转子上的位置如下进行选取：back-EMF（由于转子的运动在定子绕组上产生的诱导电压）电压波形为梯形。这就允许一个矩形三相电压系统（见图2-2）用来产生一个旋转磁场，及较低的波纹扭矩。图2-1BLDC截面图电机可以不只是一对电极，该部分定义了电循环与机械循环的对照。图中显示的BLDC电机有每一相中有三对电极，就是说，每一个一个机械循环中有三个电循环。图2-23相电压系统2.1.13相BLDC电机控制的六步换向在给于的电压比较容易产生矩形波，这保证了控制与驱动的简化。BLDC电机的旋转由六步换向技术（有时称为60度，120度控制）来控制。一个简单的规则见图2-3所示。图2-33相电压系统的6步换向技术6步换向技术产生的电压系统如图2-2所示，在电旋转的六个方向，6步换向BLDC电机最重要的特征是任何时刻都有其中一相是关闭状态。这对转子位置的检测非常重要，这在下文具体解释。施用电压需要是有振幅的，并且与back-EMF对齐，所以，BLDC电机的控制需要：a.控制合适的3相震荡电压b.施用的电压需要直流总线电压等级调整或通过脉宽调制（PWM）技术。该无传感器BLDC电机使用2.2.2节描述的PWM技术，“PWM技术控制的震荡电压”2.1.2同步6步换向与转子的位置转子在某一特定角度的位置必须被知道，用来匹配施用的电压与back-EMF（永磁体旋转产生的诱导电压）。Back-EMF与换向事件的匹配是非常重要