小功率永磁同步電機(jī)無速度傳感控制器

　　一、序言

　　在傳統(tǒng)的交流矢量變換控制系統(tǒng)中，速度傳感器是必不可少的。對于普通的交流電機(jī)，速度傳感器的作用有三：其一是獲得速度反饋信號，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制;其二是與轉(zhuǎn)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測轉(zhuǎn)子磁通，進(jìn)行磁場定向控制。若實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)子磁極位置，依據(jù)位置信息，通過控制電路，以正確相位和相序，向三相定子繞組供電，通過交變的定子電流產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。電機(jī)速度和磁極位置的檢測，多數(shù)采用光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中，存在以下幾個問題:

　　(一)高精度速度傳感器的價格昂貴，對一些小容量設(shè)各，顯著增加了系統(tǒng)開發(fā)的成本(包括傳感器和電子線路)。

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

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

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

　　(五)在惡劣環(huán)境中，由于多數(shù)傳感器內(nèi)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、振動等的影響會造成傳感器的性能小穩(wěn)定，制約檢測的精確度。如果采用旋轉(zhuǎn)變壓器，經(jīng)信號處理得到速度和磁極位置信息，解調(diào)過程較復(fù)雜，增加了硬、軟件的復(fù)雜性和控制策略的難度:

　　(六)所有的傳感器對電機(jī)的驅(qū)動軸都會產(chǎn)生一定程度的靜態(tài)和動態(tài)摩擦，同時附加于電機(jī)軸上一定慣性。

　　以第三代永磁材料-釹鐵硼(NdFeB)造出來的永磁同步電動機(jī)(PMSM)具有體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防和日常生活中得到日益廣泛應(yīng)用，同時我國稀土資源豐富，因此研究和開發(fā)高效稀土永磁同步電動機(jī)，變稀土資源出口為高附加值的稀土永磁電機(jī)產(chǎn)品出口，能夠促進(jìn)電機(jī)行業(yè)、風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和更新?lián)Q代，從而創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此永磁同步電機(jī)控制器的研究與開發(fā)具有很好的應(yīng)用價值。

　　二、實(shí)現(xiàn)方法

　　AVR單片機(jī)介紹和IRMCF341芯片

　　本方案擬采用ATMEL公司的ATmega64單片機(jī)和IRMCF341這種高性能家電用無傳感器正弦波電機(jī)控制IC來實(shí)現(xiàn)。

　　ATmega64：

　　高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價位 , 一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。

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

　　AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法;采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)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(jié)構(gòu)的RISC單片機(jī)AVR吸取了PIC及8051等系列的單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時在內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)嵌高質(zhì)量的FLASH程序存儲器，可反復(fù)擦寫，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新，內(nèi)嵌長壽命的EEPROM，可長期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場合的使用，同時也能更有效的支持使用高級語言開發(fā)系統(tǒng)程序。

　　高速度、低功耗，具有SLEEP功能。AVR的一條指令執(zhí)行周期可達(dá)50ns，而耗電則在1uA~2.5mA之間。AVR采用Harvard結(jié)構(gòu)，以及一級流水線的預(yù)取指令功能，即對程序的讀取和數(shù)據(jù)的操作使用不同的數(shù)據(jù)總線，因此，當(dāng)執(zhí)行某一指令時，下一指令被預(yù)先從程序存儲器中取出，這使得指令可以在每一個時鐘周期內(nèi)被執(zhí)行。

　　外設(shè)豐富。AVR單片機(jī)包含的外設(shè)有SPI、EEPROM、RTC、看門狗定時器、ADC、PWN和片內(nèi)振蕩器等，可以真正做到單片。

　　抗干擾性好。有看門狗定時器(WDT)安全保護(hù)，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(qiáng)。

　　高度保密?？啥啻螣龑懙腇LASH具有多重密碼保護(hù)鎖定(LOCK)功能，因此可低價快速完成商品化，且可多次更改程序(產(chǎn)品升級)，方便了系統(tǒng)調(diào)試，而且不必浪費(fèi)IC或電路板，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力。

　　驅(qū)動能力強(qiáng)。具有大電流：10~20mA(輸出電流)或40mA(吸電流)，可直接驅(qū)動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。

　　超功能精簡指令。具有32個通用工作寄存器(相當(dāng)于8051的32個累加器)，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象。

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

　　可靠性高。AVR單片機(jī)內(nèi)部有電源上電啟動計數(shù)器，當(dāng)系統(tǒng)RESSET復(fù)位上電后，利用內(nèi)部的RC看門狗定時器，可延遲MCU在系統(tǒng)電源、外部電路達(dá)到穩(wěn)定后再正式開始執(zhí)行程序，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，同時也可節(jié)省外加的復(fù)位延時電路。此外，內(nèi)置的電源上電復(fù)位(POR)和電源掉點(diǎn)檢測(BOD)，也有效提高了單片機(jī)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(jī)應(yīng)用的正弦波單片控制集成電路。與傳統(tǒng)的單片機(jī)或DSP 方案不同的是，IRMCF341 通過專有的電機(jī)控制引擎(MCETM)提供了完善的永磁同步電機(jī)無傳感器閉環(huán)控制算法。電機(jī)控制引擎(MCETM)包含了所有的電機(jī)控制要素、電機(jī)外設(shè)、專有的運(yùn)動控制時序發(fā)生器以及用于交換數(shù)據(jù)的雙端口RAM。IRMCF341 還具有一套專有的模數(shù)混合電路來實(shí)現(xiàn)單電阻電流采樣以及電機(jī)電流重構(gòu)算法，只需要一個直流負(fù)母線上電阻就可完成電機(jī)電流采樣和重構(gòu)，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計并降低了系統(tǒng)成本。

　　IRMCF341 的另一個特點(diǎn)就是不需要用戶編寫電機(jī)控制程序，用戶可以通過一個專用的圖形編譯器在MATLAB/SimulinkTM 環(huán)境下以搭積木的方式構(gòu)建自己的電機(jī)控制系統(tǒng)(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，用戶可以很靈活地通過8051 編程來實(shí)現(xiàn)時序控制、用戶接口、主機(jī)通訊以及上層控制任務(wù)等系統(tǒng)實(shí)際需要的功能。該8051 核可以通過JTAG 口來進(jìn)行仿真和調(diào)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)。下圖是一個基于IRCF341的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　IRMCF341 是針對開發(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)時可以使用引腳完全相同的OTP 版本或掩模版本。

　　三、設(shè)計內(nèi)容

　　本次課題所研究的內(nèi)容有三個方面：

　　(一). 電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計算法

　　這是本次設(shè)計最關(guān)鍵的地方，將研究電機(jī)轉(zhuǎn)速的估計方法，如何設(shè)計一種實(shí)用高效的轉(zhuǎn)速估計算法將是本次課題的核心研究內(nèi)容。

　　本次設(shè)計采用的估計算法是磁通運(yùn)算法，即利用同步電機(jī)的端電壓、端電流和電動機(jī)的其它參數(shù)，通過電動機(jī)的理想數(shù)學(xué)模型直接或間接地計算轉(zhuǎn)速。

　　在具體介紹該算法之前還需要解決以下兩個問題---磁通矢量的觀測和電動機(jī)參數(shù)的誤差控制。

　　1、磁通矢量的觀測

　　為了正確推算速度，磁通矢量的觀測是不可少的。本次設(shè)計是利用電動機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速信號及電動機(jī)參數(shù)，經(jīng)不同數(shù)模運(yùn)算后，求出磁通矢量。一般采用兩類數(shù)學(xué)模型：

　　2、電動機(jī)參數(shù)的誤差控制

　　利用該方法測量電動機(jī)轉(zhuǎn)速，其前提是電動機(jī)的參數(shù)必須設(shè)定正確。若設(shè)定值變化，將會影響到推算值的精度。其中參數(shù)中影響最大的是定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻，它們隨電動機(jī)溫度的變化而變化。

　　從理論上說，定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻均可與轉(zhuǎn)速一起自適應(yīng)觀測器進(jìn)行觀測?？墒牵瑥墓絹砜?，在穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)子電阻用Rr/S表示(S為轉(zhuǎn)差率)，其誤差只與轉(zhuǎn)速有關(guān)。因此，無速度傳感器系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)子電阻的自適應(yīng)觀測實(shí)際做不到。一般可用下面的公式進(jìn)行定子電阻自適應(yīng)調(diào)整，轉(zhuǎn)子電阻只能是考慮與定子電阻類似的溫度變化函數(shù)，進(jìn)行比例修正。

　　C：系統(tǒng)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