小功率永磁同步电机无速度传感控制器

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一、序言
          在传统的交流矢量变换控制系统中，速度传感器是必不可少的。对于普通的交流电机，速度传感器的作用有三：其一是获得速度反馈信号，实现速度的闭环控制；其二是与转差角频率相加得到定子电流角频率给定值，进行频率控制；其三是在低速范围用电流模型观测转子磁通，进行磁场定向控制。若实现PMSM的矢量控制，使定子电流的方向与永磁体产生的磁通方向在空间正交，还需要位置传感器，以确定转子磁极位置，依据位置信息，通过控制电路，以正确相位和相序，向三相定子绕组供电，通过交变的定子电流产生恒定的转矩，从而实现系统的精确控制。电机速度和磁极位置的检测，多数采用光电编码器或者旋转变压器等机械传感器，在实际应用中，存在以下几个问题:
           
          （一）高精度速度传感器的价格昂贵，对一些小容量设各，显著增加了系统开发的成本(包括传感器和电子线路)。
           
          （二）速度传感器安装困难，存在同心度问题，只有在特殊加工的电机中，该问题才能得到较为满意的解决，而在一般电机中，由于安装存在的问题，速度传感器常成为系统的故障源，使系统的机械鲁棒性大为降低，也给维护带来了困难。
           
          （三）速度信号的传递受距离的限制，如果距离长，会带来许多干扰信号，因此只限于一些性能很高的场合，这就大大限制了应用范围:
           
          （四）在选用变频器时必须顾及速度传感器的参数，使其匹配，互换性差;
           
          （五）在恶劣环境中，由于多数传感器内部及输出信号都为弱电平，抗电磁干扰的能力较差，温度、湿度、振动等的影响会造成传感器的性能小稳定，制约检测的精确度。如果采用旋转变压器，经信号处理得到速度和磁极位置信息，解调过程较复杂，增加了硬、软件的复杂性和控制策略的难度:
           
          （六）所有的传感器对电机的驱动轴都会产生一定程度的静态和动态摩擦，同时附加于电机轴上一定惯性。
           

        以第三代永磁材料-钕铁硼(NdFeB)造出来的永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到日益广泛应用，同时我国稀土资源丰富，因此研究和开发高效稀土永磁同步电动机，变稀土资源出口为高附加值的稀土永磁电机产品出口，能够促进电机行业、风机水泵行业的产品结构调整和更新换代，从而创造巨大的经济效益，因此永磁同步电机控制器的研究与开发具有很好的应用价值。

         

          二、实现方法
           
          AVR单片机介绍和IRMCF341芯片
          本方案拟采用ATMEL公司的ATmega64单片机和IRMCF341这种高性能家电用无传感器正弦波电机控制IC来实现。
           

        ATmega64：

        高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

         

          早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的 CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。
           

        AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。

         

        Atmel公司在1997年研发的采用哈弗结构的RISC单片机AVR吸取了PIC及8051等系列的单片机的优点，同时在内部结构上还做了一些重大的改进。其优点主要有以下几点：

         

       

•                 内嵌高质量的FLASH程序存储器，可反复擦写，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新，内嵌长寿命的EEPROM，可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也能更有效的支持使用高级语言开发系统程序。        
  
•                 高速度、低功耗，具有SLEEP功能。AVR的一条指令执行周期可达50ns，而耗电则在1uA~2.5mA之间。AVR采用Harvard结构，以及一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。        
  
•                 外设丰富。AVR单片机包含的外设有SPI、EEPROM、RTC、看门狗定时器、ADC、PWN和片内振荡器等，可以真正做到单片。        
  
•                 抗干扰性好。有看门狗定时器（WDT）安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰性。此外，电源抗干扰能录也很强。        
  
•                 高度保密。可多次烧写的FLASH具有多重密码保护锁定（LOCK）功能，因此可低价快速完成商品化，且可多次更改程序（产品升级），方便了系统调试，而且不必浪费IC或电路板，大大提高了产品质量及竞争力。        
  
•                 驱动能力强。具有大电流：10~20mA（输出电流）或40mA（吸电流），可直接驱动LED、SSR或继电器。        
  
•                 低功耗。具有六种休眠功能，能够从低功耗模式迅速唤醒。        
  
•                 超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器（相当于8051的32个累加器），克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。        
  
•                 中断向量丰富。具有34个中断源，不同中断向量入口地址不一样，可快速响应中断。        
  
•                 可靠性高。AVR单片机内部有电源上电启动计数器，当系统RESSET复位上电后，利用内部的RC看门狗定时器，可延迟MCU在系统电源、外部电路达到稳定后再正式开始执行程序，提高了系统工作的可靠性，同时也可节省外加的复位延时电路。此外，内置的电源上电复位（POR）和电源掉点检测（BOD），也有效提高了单片机的可靠性。
  

        IRMCF341：

        IRMCF341 是IR 公司新推出的针对家用电器永磁交流电机应用的正弦波单片控制集成电路。与传统的单片机或DSP 方案不同的是，IRMCF341 通过专有的电机控制引擎（MCETM）提供了完善的永磁同步电机无传感器闭环控制算法。电机控制引擎（MCETM）包含了所有的电机控制要素、电机外设、专有的运动控制时序发生器以及用于交换数据的双端口RAM。IRMCF341 还具有一套专有的模数混合电路来实现单电阻电流采样以及电机电流重构算法，只需要一个直流负母线上电阻就可完成电机电流采样和重构，大大简化了系统设计并降低了系统成本。

         

        IRMCF341 的另一个特点就是不需要用户编写电机控制程序，用户可以通过一个专用的图形编译器在MATLAB/SimulinkTM 环境下以搭积木的方式构建自己的电机控制系统（一般是自定义速度环功能）。IRMCF341 还具有嵌入式的高速8 位8051 核，用户可以很灵活地通过8051 编程来实现时序控制、用户接口、主机通讯以及上层控制任务等系统实际需要的功能。该8051 核可以通过JTAG 口来进行仿真和调试(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)。下图是一个基于IRCF341的典型系统结构框图。

         

       

         

        IRMCF341 是针对开发阶段的版本，其48K 的程序存储器为RAM，可以很方便地从外部

         

        EEPROM 载入8051 和MCE 控制代码。批量生产时可以使用引脚完全相同的OTP 版本或掩模版本。

         

        IRMCF341的结构框图：

         

       

           
          三、设计内容

        本次课题所研究的内容有三个方面：

        （一）. 电机转速的估计算法

          这是本次设计最关键的地方，将研究电机转速的估计方法，如何设计一种实用高效的转速估计算法将是本次课题的核心研究内容。
           
          本次设计采用的估计算法是磁通运算法，即利用同步电机的端电压、端电流和电动机的其它参数，通过电动机的理想数学模型直接或间接地计算转速。
           
          在具体介绍该算法之前还需要解决以下两个问题---磁通矢量的观测和电动机参数的误差控制。
           
          1、磁通矢量的观测
           为了正确推算速度，磁通矢量的观测是不可少的。本次设计是利用电动机的电压、电流、转速信号及电动机参数，经不同数模运算后，求出磁通矢量。一般采用两类数学模型：
           
          （1）电压模型
          设同步电机在M-T坐标有如下关系：
         
         
           

       

         

       

        2、电动机参数的误差控制

        利用该方法测量电动机转速，其前提是电动机的参数必须设定正确。若设定值变化，将会影响到推算值的精度。其中参数中影响最大的是定子电阻和转子电阻，它们随电动机温度的变化而变化。

         

        从理论上说，定子电阻和转子电阻均可与转速一起自适应观测器进行观测。可是，从公式来看，在稳态时转子电阻用Rr/S表示（S为转差率），其误差只与转速有关。因此，无速度传感器系统进行转子电阻的自适应观测实际做不到。一般可用下面的公式进行定子电阻自适应调整，转子电阻只能是考虑与定子电阻类似的温度变化函数，进行比例修正。

         

       

         

        C：系统单元电路

        a：相电压检测

          相电压检测由分压电阻、电压检测（绝缘式电压传感器）、滤波电路三部分组成。由于主电路为高压，必须重视主电路和控制电路间的绝缘，选用绝缘性能好的电压传感器。
           
          b：相电流检测
          相电流检测采用霍尔式电流传感器，其二次侧接有规定的电阻做负载，这样输出电压与实测电流之间才能呈线性变化。
           

        无速度传感器矢量控制系统参数的自检测

        A、参数自检测概述

        所谓参数自检测，即利用调速系统自身所固有的硬件资源(如PWM逆变器、计算机控制系统)，用过执行一系列例行子程序来达到电动机参数测定的目的。在现代交流调速系统中，先进的数字控制器具有很大的柔性，主要体现在可以灵活配置用于不同目的的软件，它在满足一定外部约束的条件下，能控制电力交流器输出各种电压、电流测试信号，然后经过对采样数据的处理，能求出可信度较高的电动机参数值。由此可见，参数自检测一方面扩充了调速系统的功能，另一方面由于它可以向控制系统提供高精度的电动机参数，这为从根本上提高交流调速系统性能奠定了基础。

         

        B、电动机参数离线自设定

        电动机参数离线自设定有三种方法：a.空载试验和堵转试验法。这是最古典的测试法；b.自适应算法。利用自适应控制的磁通观测器，自动设定电动机参数；c：利用过渡响应波形进行自检测。电动机参数在不同的测试条件下往往变动很大，为提高电动机参数的测量精度，应尽可能接近实际运行条件下进行参数自动设定。

         

         C、自检测的实现和步骤

        自检测采集的信号只要是指令电流 、 和电动机转速 以及 和 的阶跃响应。具体测试项目有：1.定子电阻 ；2.转差系数；3.转矩系数 和其他电动机参数

         

         D、电动机参数在线自校正

        随着运行中负载变化，由于电动机温升提高，使转子电阻在交较宽的范围内变化，将会影响转矩改变，故对电动机参数必须进行在线修正。