三相电动机编程控制工作原理分析

本文介绍了采用Renesas公司MC16C/28系列的CPU产品,运用120^o 梯形波交变,通过电动机感应电压的过零点来估测转子位置,从而实现表面安装永磁式同步电动机（SPMSM）的无位置传感器型驱动的方法。

通过变频技术和脉宽调制技术对交流电动机转速和位置进行数字控制是电动机控制的发展趋势,永磁式同步电动机（PMSM）具有结构简单、体积小、易于控制、性能优良等优点。用单片机对电动机进行数字控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。

电动机控制

图1   三相电动机驱动

图2  电动机控制硬件框图

逆变器控制
电能（商用电源）一般是通过一个电源系统来提供的。在这种场合,商用电源的电压、频率和相位在严格的控制之下被固定于一个精确的水平上。如果把一个商用电源直接提供给电动机的负载,则感应式电动机（IM）可以被起动,而同步电动机（比如永磁式同步电动机PMSM）则不能被起动。
在逆变器控制过程中,商用电源未与负载相连。一个转换器件首先把交流（AC）电流转换成直流（DC）电源,然而再由一个逆变器将直流电源转换成交流电源,以便向电动机输送具有期望电压和频率的交流电源。如果输出电压和频率是根据负载和扰动来控制的,则这将使得同步电动机能够起动和旋转,并达到节能的效果。

表1 控制方法


表2 A/D转换

表3 中断功能

感应电压
电动机可以起发电机的作用。因此,当把一盏灯连接至电动机并旋转电动机的轴时,灯将会发光。这是因为产生了感应电动势的缘故,而产生的电压就被称为“感应电压”。
当电动机停止转动时,将不会产生感应电压。因此,当起动电动机时,将强迫它在某一特定方向上旋转,以找到转子的位置。
在采用180^o正弦波交变的电动机控制中,由于电动机中有电流连续流过,故不能直接监视电动机中产生的感应电压。因此,在无位置传感器的控制中,转子位置是通过电动机电流来估测的。

用于电动机控制的硬件和软件规范

硬件构成
  表面安装永磁式同步电动机（SPMSM）
  A/D转换器
  三相PWM输出
  感应电压的零点检测
四部分组成的框图示于图2。
软件功能
软件控制示于表1。

用于电动机控制的CPU及其周围设备的功能说明
A/D转换
A/D转换说明见表2。

三相PWM输出
  采用锯齿波来进行调制和采用了三相模式0来实现120^o交变驱动电机。
  在采用梯形波的120^o交变中,转速基本与电压成正比。

三相电动机感应电压的过零点检测
在本软件中,感应电压的过零点是通过按表3对外部中断功能进行配置的方法来检测的。

用梯形波交变实现SPMSM的无位置传感器型

驱动的软件描述
软件描述了如何使用梯形波的120^o交变来实现SPMSM的无传感器型驱动。内容包括： 
 (1)由电动机中的感应电压来检测转子位置和采用梯形波的120^o  交控制旋转转速度在±500 rpm~3000 rpm范围。
 (2)对8个控制模块的描述。
    A/D转换器
    感应电压的检测
    实际转速的计算
    目标转速的计算
    PWN占空比的计算
    确定输出模式
    初始启动处理
    其他一些CPU关于系统异常动作的监测和检测。
 (3)CPU寄存器的存储变换
CPU具有13个寄存器：数据寄存器、地址寄存器、帧寄存器、中断表寄存器、程序指针寄存器、用户堆栈指针（USP）寄存器中断堆栈指针（ISP）寄存器、状态寄存器、标志寄存器(进位标志寄存器、调试标志寄存器、0标志寄存器、符号标志寄存器、寄存器组选择标志寄存器、溢出标志寄存器、中断使能标志寄存器。)堆栈指针选择标志寄存器、处理器中断优先级寄存器、预留域寄存器。
存储变换包括：
    线性地址空间,固定中断的矢量,内部RAM,SFR区域,特殊的页面矢量等的地址分配。
    用于本软件的存储变换和段配置
(4)系统的主要软件模块
(5)与三相输出有关的SFR的初始设定值
    AD转换器的控制寄存器0－2的设置
    电动机感应电压检测
    三相输出PWM设置（24个寄存器）
(6)通过120°梯形波交变来实现SPMSM无传感器型驱动控制流程
    用于通过120°梯形波交变来实现SPMSM的无传感器型驱动的主处理
    初始化处理
    PWM中断处理
    停止处理
    启动处理
    正常处理
　　实际转速计算处理
    转速命令计算处理
    总线电压计算处理
    电动机锁定检测处理
    停止检测处理。