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控制器80C196MH在H_PWM_L_ON調(diào)制方式的方波型無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 ? 作者:佚名 ? 2019-10-31 08:04 ? 次閱讀

近幾年來(lái),隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,永磁無(wú)刷直流電機(jī)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(jī)有著噪音低、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(yīng)用。

對(duì)方波型無(wú)刷直流電機(jī)的控制方式主要有H_PWM_L_0N調(diào)制方式、H_ON_L_PWM調(diào)制方式、H-PWMLPWM調(diào)制方式等。

本文介紹如何用80C196MH來(lái)實(shí)現(xiàn)H_WM_L_0N調(diào)制方式,并在上管進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí),對(duì)應(yīng)下管進(jìn)行互補(bǔ)PWM調(diào)制,改進(jìn)了電機(jī)減速停機(jī)性能,從而更好地對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。Intel80C196MH是專門(mén)為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì),它是由CHMOS電路構(gòu)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(zhǎng)期使用,可靠性極高。

1 、系統(tǒng)組成

典型的永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示。它由電機(jī)本體、逆變器、位置傳感器控制器組成。

控制器80C196MH在H_PWM_L_ON調(diào)制方式的方波型無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

在本文中,變頻器采用了富十公司R系列IPM模塊。IPM模塊內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路控制芯片80C196MH發(fā)出的6路PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦TIP52l與驅(qū)動(dòng)電路隔離。lPM保護(hù)信號(hào)經(jīng)光耦連至80C196MH的EXTINT功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳,該引腳檢測(cè)到低電平后,80C196MH控制器立刻將所有WG輸出腳(PWM)設(shè)置為高電平,關(guān)斷所有的IGBT

對(duì)于方波型無(wú)刷直流電機(jī),一般采用120°控制方式。脈寬120°的電機(jī)和傳統(tǒng)正弦波電機(jī)相比,具有整流電壓脈動(dòng)小,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。

2 、調(diào)制方式

本文所采取的PWM調(diào)制方式基本屬于H_PWM_L_ON調(diào)制方式,即上橋臂PWM調(diào)制,下橋臂恒通;為了適應(yīng)電機(jī)制動(dòng)過(guò)程的需要,在該P(yáng)WM調(diào)制策略的基礎(chǔ)之上,加了互補(bǔ)調(diào)制策略,即當(dāng)上橋臂開(kāi)關(guān)管進(jìn)行PWM凋制時(shí),則對(duì)應(yīng)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(bǔ)調(diào)制的狀態(tài)。這意味著,當(dāng)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(dāng)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(jié)拍)。

控制器80C196MH在H_PWM_L_ON調(diào)制方式的方波型無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

采用這種調(diào)制方式,電機(jī)在減速和制動(dòng)過(guò)程中有一定的優(yōu)勢(shì),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?yàn)殡S著觸發(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(tǒng)的機(jī)械慣性大于電磁慣性,在電源輸出電壓下降瞬間,轉(zhuǎn)速并未下降,因此,造成電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)電壓高于電源電壓,從而使電機(jī)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(zhuǎn)矩作為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速下降。隨著轉(zhuǎn)速下降,電樞反電動(dòng)勢(shì)也下降,再生發(fā)電狀態(tài)消失。

設(shè)以電流從A相流到C相為例分析。A相上橋臂調(diào)制(S1),C相下橋臂恒通(S2),同時(shí),S4和S1處于互補(bǔ)調(diào)制狀態(tài),如圖3(a)所示。因?yàn)殡姍C(jī)處于急劇減速狀態(tài),所以電源輸出到電機(jī)的平均電壓UAC要低于電機(jī)繞組反電動(dòng)勢(shì)平均值eAC表示A、C兩相繞組端子之間的反電動(dòng)勢(shì),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(nèi)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(xiàn)感性,相電流方向iA不變,此時(shí)電流通過(guò)S2、D4續(xù)流。到該電流衰減到零時(shí),由于平均反電動(dòng)勢(shì)eAC高于平均直流電壓UAC,對(duì)于直流電源來(lái)說(shuō),電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)直流電壓源,則在反電動(dòng)勢(shì)作用下,相電流iA反向,因?yàn)榇藭r(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(jī)繞組,而直流母線電流為零。該再生電流對(duì)此時(shí)處于正轉(zhuǎn)的電機(jī)來(lái)說(shuō),為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在DT階段,S1開(kāi)通,S4關(guān)斷;因?yàn)镾4關(guān)斷導(dǎo)致再生電流立即改變流通途徑,通過(guò)D1、D2反向流過(guò)直流母線開(kāi)始衰減,此時(shí)S1,開(kāi)通但沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)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(xù)到S1關(guān)斷為止。

控制器80C196MH在H_PWM_L_ON調(diào)制方式的方波型無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

從以上分析過(guò)程看出,這種互補(bǔ)調(diào)制方式將改變減速過(guò)程中繞組電流的流向,使電機(jī)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?fù)值,對(duì)直流端電容充電。本系統(tǒng)采用不控整流所得到的直流電壓為電機(jī)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(cè)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(dǎo)通的功率電阻,當(dāng)直流側(cè)的電壓達(dá)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(jī)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(diào)制方式的軟件實(shí)現(xiàn)

80C196MH內(nèi)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(shè)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(hào)(高電平、低電平或PWM)。

當(dāng)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(shù)據(jù)與占空比是成正比的。在程序中,占空比的值存儲(chǔ)在寄存器AMPLUDE中。占空比(AMPLITUDE)_WG_OMP/WG_RELOAD,考慮到表格數(shù)據(jù)以及規(guī)格化(100%_0FFFFH),故有:

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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(tǒng)采用邊緣對(duì)準(zhǔn)PWM方式3)。

AMP×WG_RELOAD得到32位的乘積,只取其高位字,就實(shí)現(xiàn)了除以216的操作。

利用80C196MH的EPA和WG功能模塊,根據(jù)換相順序確定輸出6路PWM信號(hào)和電平信號(hào)。增加了互補(bǔ)策略的H_PWM_L_ON調(diào)制方式的波形輸出時(shí)序如表1所列。

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表中:WG1和WG1(P6.0和P6.1)表示相1信號(hào);

WG2和WG2(P6.2和P6.3)表示相2信號(hào);

WG3和WG3(P6.4和P6.5)表示相3信號(hào);

WFG表示引腳上出現(xiàn)PWM波形。

PO 2、PO.1、PO.O用來(lái)表示位置信號(hào)在程序節(jié)拍號(hào)由電機(jī)傳送給單片機(jī)的位置信號(hào)來(lái)表示。在本系統(tǒng)中,位置信號(hào)傳給單片機(jī)的PO.2、PO.l、PO.O。根據(jù)位置信號(hào)的改變來(lái)改變WG_OUT寄存器的輸出,從而進(jìn)行換相。

根據(jù)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(tǒng)中,占空比的設(shè)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(shè)置WG_OUT來(lái)改變波形發(fā)生器的輸出值。

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4、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)以上的控制策略,制作了一臺(tái)永磁直流無(wú)刷電機(jī)的樣機(jī),并將它應(yīng)用于工業(yè)縫紉機(jī)。圖5是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的母線電流波形。如圖5中所示,在電機(jī)正常工作時(shí),母線上會(huì)產(chǎn)生負(fù)電流,這是由下管的換向引起的。在實(shí)際應(yīng)用中,可以采用換向延遲的方法來(lái)改善正常工作時(shí)母線電流的波形。

控制器80C196MH在H_PWM_L_ON調(diào)制方式的方波型無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

控制器80C196MH在H_PWM_L_ON調(diào)制方式的方波型無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用

圖6是停機(jī)過(guò)程母線電流波形,在電機(jī)停機(jī)過(guò)程中,由于電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài),直流母線的平均電流為負(fù)值,電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行,獲得了較大的制動(dòng)力矩,從而使電機(jī)能夠快速地停機(jī)。

責(zé)任編輯:gt
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