基于控制專用單片機的無刷直流電機控制器
1 概述
無位置傳感器無刷直流電動機控制器采用的位置檢測方法是反電勢3次諧波檢測法，其輸入 到控制器的有2路信號，1路為A相反電勢過零信號，1路為轉子磁通3次諧波的過零信號，利 用這2路信號控制永磁同步電機運行于自同步工作狀態。所以這一控制系統有別于傳統的反 電勢基波法（也叫端電壓法）采用3路反電勢過零點信號的控制系統。
由于3次諧波檢測法相當靈敏，而且在信號處理中無需經過衰減率極大的低通濾波器，使得3次諧波檢測在較低的轉速下就可以正確檢測出轉子的位置。由于3次諧波信號的處理可以采 用在整個頻率范圍內都保持穩定的90°積分器電路，所以檢測精度高，這帶來的直接效果就 是電機的運行效率高，輸出轉矩大，因此，本文研究一種適合于3次諧波檢測法的控制器。
2 控制器的各組成電路
無刷直流電機控制器的任務是完成位置閉環、轉速閉環控制以及起動控制。位置閉環是為了 使電機運行于自同步狀態，轉速閉環則是為了調速。由于3次諧波檢測法同樣也無法檢測零 速下電機轉子的位置，所以同樣也需要比較復雜的起動控制。
2.1 位置閉環的實現
在本控制器中采用中斷方式完成位置閉環，在控制器的控制程序中預先編制三相6拍對應的 三相同步信號序列，3次諧波每一次跳變引發1次中斷，控制器輸出下一個同步信號序列。A 相反電勢每一次上跳沿引發1次中斷，使控制器指向第一個同步信號序列。
位置閉環的實現主要由譯碼電路、3次諧波沿脈沖生成電路。譯碼器電路是把微機輸 出的三 相同步信號譯碼成逆變6個功率器件的導通信號，其功能與傳統端電壓法采用的譯碼器功能 一樣。本文所研究的控制器是采用GAL16V8可編程邏輯器件來完成的。
無刷機運行狀態時，3次諧波位置信號每一次跳變對應著一個換相時刻，而能引起微機產生1 次外部中斷的只能是外部信號發生1次上跳沿，所以這就需要1個沿脈沖生成電路，把輸入的 3次諧波信號上跳沿和下跳沿都轉化成具有上跳沿的窄脈寬。使用2個上升沿單穩觸發器可能完成這樣的功能。沿脈沖生成電路如圖1所示，其中脈沖的寬度由單穩觸發器的RC延時網絡決定。這個脈寬要求不能大于最高轉速時3次諧波位置信號的脈寬，否則在最大轉速時每一 個周期將會漏掉1次換相時刻，這將會使電機運行于一種不穩定的狀態。
2.2 轉速閉環的實現
轉速閉環的實現包括轉速的測定、控制量的設定及PWM波占空比的調節。
因為3次諧波位置信號頻率與電機的轉速成正比，對于P=2的電機，轉子每旋轉1圈，3次 諧波 信號發生12次跳變。所以轉速的測定可能通過測定3次諧波信號。由于3次諧波頻率比較低 ，采用測頻法測轉速，若想在較短的時間內測出電機的轉速，那么測得的轉速誤差太大。所以本控制器采用測周法。
由于80C196KB帶有高速輸入口，輸入信號的每一次跳變發生時刻將被高速輸入口記錄下來， 這為測周法的實現提供了極大的方便。3次諧波信號通過HSI.1輸入到單片機中，設定高速輸 入口為記錄每一次跳變的工作方式，并設定FIFO為保持寄存器有效中斷方式，即每發生一個 事件響應1次中斷，在中斷處理程序中計算2次事件的時間差，從而計算出電機的轉速。
控制量的設定包括轉速給定值、啟動負載設定值、正反轉開關以及啟停開關等。其中轉速給 定值和啟動負載設定值可以通過Philips遙控器以及紅外接收頭來完成數字設定，紅外接收 頭的輸入信號可接到單片機的高速輸入口，在FIFO中斷處理程序中識別遙控器輸入的鍵值， 并根據鍵值設定輸入值，也可以采用電位器模擬給定，由80C196KB的A/D轉換成數字量。正 反轉開關以及啟停開關只需要普通的開頭形成電平信號從P1口輸入到單片機中，在控制器主 程序循環中，不斷查詢開關狀態，根據不同的開關狀態進行相應的處理。
80C196KB內含一個8位PWM通道，無須再擴展，此PWM通道在12M晶振下，輸出的PWM頻率可達2 3.6kHz，超出了音頻范圍，不會給系統帶來噪聲。要改變PWM占空比只需改變PWM占空比寄存 器，使用起來相當可靠、方便。唯一不足的一點是其占空比分辨率只有8位，即1/256（0.39% ），對于要求調速精度較高的場合，需要外加高辨率的PWM波發生器。
2.3 起動控制的實現
在基于3次諧波檢測法控制系統中，同樣也可以采用端電壓法控制系統所采用的3段式起動方 法，即整個起動過程分為轉子定位、加速和切換3個階段。對于3次諧波檢測法端電壓法，其檢測的靈敏度大大提高。3次諧波檢測法的高靈敏度使得電機的起動無須像端電壓法那 樣復雜，電機一開始只輸入輸出一個定位信號進行轉子定位，然后輸出下一個信號序列，使定子磁場向前跳進60°，這時電機由定位位置轉到下一個位置的過程中，3次諧波信號已經有效，并向微機發出1次換相中斷，使得電樞磁場再向前跳進60°，轉子在電磁轉矩的作用下向前旋轉，到達換相位置時，由3次諧波檢測出的轉子位置信號向微機發出1次換相中斷，使電樞又向前跳進，如此循環，可能使電機逐漸運行至穩定狀態。實驗證明，這種簡化的起動方法完全可行。
3 控制系統原理圖
由于80C196KB強大的功能，使得以往必須采用外圍擴展硬件電路完成的功能，比如相位差檢 測電路、A/D轉換電路、轉向控制電路、PWM波生成電路等，現在都可以利用80C196KB本身所 帶的硬件設備或控制軟件來完成，使CPU外圍電路大大簡化，減少元器件相互之間的電磁干 擾，可靠性也大大提高。根據以上所分析的各功能實現電路以及實現辦法，可以構出如圖2 所示的控制系統原理圖。
在本系統中，80C196KB的P3、P4口用于作系統總線，P2口用于作為特殊功能口，P1口作為IO 口，P0口用于作A/D轉換以及輸入口。
4 控制軟件的實現
主程序主要任務是初始化各變量及標志的值，設置CPU各設備的控制字，初始化各端 口狀態及開啟相應的中斷，并調節電機的轉速。其流程如圖3所示。
HSI FIFO保持寄存器有效中斷主要任務有兩個，一個是在同步機運行狀態時，檢測 同步信號 與位置信號的相位差，當相位差滿足規定的條件后，負責切換成無刷機運行狀態。另一個任 務是在切換成無刷機運行狀態后，還承擔測周法檢測電機轉速的任務。
5 實驗結果
本文對250W的樣機進行了轉速負反饋控制實驗，圖4是電機轉速給定量分別為1 500r/min和 2500 r/min時，負載從空載至額定負載變化時的穩態轉速。實驗結果表明，系統可以 可靠地工 作。電機轉速的穩態誤差小于32r/min，產生這一誤差的主要原因是由于PWM發生器占空比分 辨率只有8位。本文設計的控制系統，如果用于壓縮機電機等場合，其性能已滿足要求。
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