《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于NEC電子uPD78F1213的單電阻采樣BLDC矢量控制系統(tǒng)

2009-03-19
作者:張廣棟,,閆在春,,于 濤

摘 要: 介紹了采用單電阻電流采樣方法對電機(jī)的三相電流進(jìn)行重構(gòu),,并通過角度細(xì)分方法和PLL技術(shù)取得電機(jī)的實(shí)際位置角,從而進(jìn)行矢量控制運(yùn)算的電動(dòng)自行車BLDC控制系統(tǒng),。系統(tǒng)中采用兩相調(diào)制的SVPWM方法,,在提高母線電壓利用率的前提下降低了功率器件的開關(guān)損耗。相比目前在電動(dòng)自行車控制領(lǐng)域所采用的兩兩通電的120°控制方式,,本方法降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),,提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性。


關(guān)鍵詞: 電動(dòng)自行車,;單電阻采樣,;矢量控制;SVPWM,;兩相調(diào)制,;PLL
  

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?? 目前電動(dòng)自行車控制器多采用兩兩通電的120°控制方式,在這種控制方式下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大,,有較大的機(jī)械噪聲,。針對目前該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展概況,本文提出了采用矢量控制的180°正弦波控制方式,。同時(shí)從系統(tǒng)的成本考慮,,采用單電阻電流采樣方式,根據(jù)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)對電機(jī)的三相電流進(jìn)行重構(gòu),,從而進(jìn)行矢量控制運(yùn)算,。系統(tǒng)芯片采用NEC 78K0R/IC3系列芯片的uPD78F1213作為主控芯片,,完成系統(tǒng)的各種采樣和控制運(yùn)算工作。


uPD78F1213介紹
??? uPD78F1213為NEC公司針對電動(dòng)自行車控制所開發(fā)的78K0R/IC3系列芯片中的一款控制芯片,,它在片上集成了電機(jī)控制功能的外圍電路,,在很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。它具有如下特點(diǎn):
?(1)20 MHz內(nèi)部時(shí)鐘,;
?(2)外圍電路時(shí)鐘可達(dá)40 MHz,;
?(3)32 KB ROM,1.5 KB RAM,;
?(4)片上10位A/D轉(zhuǎn)換芯片,最快可達(dá)2.5us,;
?(5)6路PWM輸出端口,,具備死區(qū)功能;
?(6)片上乘法器,;
?(7)內(nèi)部集成運(yùn)放和兩段式電流保護(hù)功能,;
?(8)定時(shí)器觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換;
?(9)12路16位定時(shí)器陣列,,可靈活配置,;
?(10)在線仿真和自編程功能。
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??? 該系列芯片不僅適用于電動(dòng)自行車控制的開發(fā),,而且還可以用于包括空調(diào),、洗衣機(jī)等各種家用電器的電機(jī)控制開發(fā)。


系統(tǒng)介紹


總體結(jié)構(gòu)
??? 基于uPD78F1213的E-BIKE控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。在電動(dòng)自行車控制器中,,速度的給定是通過轉(zhuǎn)把信號給定的模擬信號。在系統(tǒng)中采用A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行速度給定的采樣,。供電系統(tǒng)由48 V的蓄電池組供電,,采用的電機(jī)為外轉(zhuǎn)子無刷直流電機(jī),其主要性能指標(biāo)如下:額定轉(zhuǎn)速為300 r/m,,額定電壓為48 V,,額定功率為350 W。同時(shí)系統(tǒng)中還包括了其他的外圍硬件電路,。

圖1 BLDC控制系統(tǒng)框圖


硬件介紹
??? 系統(tǒng)硬件主要包括MCU控制電路,、電源電路、功率電路以及分立驅(qū)動(dòng)電路,。MCU控制電路主要完成核心的控制功能,,包括驅(qū)動(dòng)信號的輸出以及A/D采樣和各種保護(hù)功能;電源電路把48 V的主電源變換為系統(tǒng)所需的5 V和15 V控制電源,;功率電路由6個(gè)功率MOSFET構(gòu)成,,采用NEC 2SK3435芯片,,完成電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng);分立驅(qū)動(dòng)電路用于按照PWM輸出驅(qū)動(dòng)6路功率MOSFET,,完成對電機(jī)的控制,,采用分立驅(qū)動(dòng)電路可有效地降低系統(tǒng)的成本。


SVPWM分析
??? 電壓空間矢量法(SVPWM)是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā),著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場,。它以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn),,用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓,從而達(dá)到較高的控制性能,。與SPWM技術(shù)相比,,SVPWM在電機(jī)的電流中產(chǎn)生的諧波較小并且提高了母線電壓的利用率。


??? 實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法有磁鏈圓軌跡法,、電壓矢量合成法等,。在這里采用了電壓矢量合成法,即采用2個(gè)非零矢量和1個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量,。


??? 逆變器主回路(如圖2)的6個(gè)開關(guān)管T1~T6可以形成8個(gè)開關(guān)量,,分別對應(yīng)8個(gè)空間矢量,以T1,、T3和T5的開關(guān)狀態(tài)來表示:000~111,,1表示導(dǎo)通,0表示截止,;而T2,、T4、T6的狀態(tài)與對應(yīng)的T1,、T3和T5正好相反,,其中6種狀態(tài)(001~110)為非零矢量,6種非零矢量輸出電壓,,并在圖2三相逆變器主回路電機(jī)中形成6個(gè)工作磁鏈?zhǔn)噶?以6種不同工作矢量所形成的實(shí)際磁鏈來追蹤三相對稱正弦波供電時(shí)定子上的理想磁鏈圓,即可得到PWM調(diào)制時(shí)的等效基準(zhǔn)磁鏈圓,矢量圖如圖3所示,。當(dāng)輸出電壓矢量Vout旋轉(zhuǎn)到某扇區(qū)時(shí),由組成該扇區(qū)的兩個(gè)非零矢量Vx、Vx+60分別作用ta,、tb時(shí)間,,時(shí)間分解如圖3所示。為補(bǔ)償Vout的旋轉(zhuǎn)頻率,,插入零矢量V111或V000,,時(shí)間為t0。

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圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

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圖3 空間電壓矢量合成

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?Vout=ta/TVx+tb/TVx+60+t0/T(V111或V000)


?T=ta+tb+t0 其中T為PWM周期,。
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??? 為了降低調(diào)制過程中的開關(guān)損耗,,本系統(tǒng)采用了兩相調(diào)制的方法,即在兩個(gè)零矢量V111和V000中只采用V000作為調(diào)制中的零矢量,,這樣在任何一個(gè)區(qū)間內(nèi)總有一相橋臂的下橋臂常通,,而上橋臂常閉,,從而降低了調(diào)制過程中的開關(guān)損耗。這種調(diào)制所形成的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示,。

圖4 兩相調(diào)制SVPWM下的驅(qū)動(dòng)波形


單電阻采樣方法及原理分析
????矢量控制方法需要檢測電機(jī)的三相電流,,傳統(tǒng)的方法一般都采用電流傳感器或者霍爾器件與電機(jī)的相線耦合直接檢測相電流。為減少電流傳感器的數(shù)量并且降低系統(tǒng)成本,,系統(tǒng)采用如圖5所示的電路檢測電機(jī)的直流母線電流,。

圖5 單電阻電流采樣的系統(tǒng)電路


??? 在圖5的電流采樣電路中,根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的不同組合,,可以得到相電流與母線電流的對應(yīng)關(guān)系,。圖6為開關(guān)狀態(tài)下的電流對應(yīng)關(guān)系在①區(qū)間內(nèi)UVW的狀態(tài)為110,此時(shí)電流從U,、V兩相上橋臂流入經(jīng)過W相流出,,此時(shí)母線電流與W相電流大小相等,方向相反,,即:iu=-idc,。在②區(qū)間內(nèi)UVW的狀態(tài)為100,,此時(shí)電流從U相上橋臂流入經(jīng)過V,、W兩相的下橋臂流出,此時(shí)母線電流與U相電流大小相等,,方向相同,,即iu=idc。

圖6 相電流與母線電流的對應(yīng)關(guān)系分析


?? 同理可以得到在不同的開關(guān)狀態(tài)下的三相電流與母線電流的對應(yīng)關(guān)系,,如表1所示,。

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表1 各開關(guān)狀態(tài)下的母線電流與相電流的對應(yīng)關(guān)系


???根據(jù)表中所列的電流對應(yīng)關(guān)系,選擇通過定時(shí)器觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換就可以得到電機(jī)的三相電流值,。
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?? 值得注意的是,,當(dāng)開關(guān)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較短時(shí),電流采樣的精度會變差,,因此需要采用非對稱的PWM驅(qū)動(dòng)波形來進(jìn)行補(bǔ)償以提高采樣精度,,會對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能造成一定的影響。


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系統(tǒng)控制原理
?? 矢量控制的原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)控制系統(tǒng),,本文不再對具體原理進(jìn)行分析,。下面根據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算原理圖(如圖7)介紹系統(tǒng)的計(jì)算過程。

圖7 矢量控制系統(tǒng)原理圖
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?? 首先,,根據(jù)檢測到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速,,以及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,通過速度PI控制器計(jì)算出定子電流參考輸入,。定子三相相電流通過檢測系統(tǒng)的母線電流按照電流重構(gòu)的方法得出,。然后,,用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標(biāo)系中,再使用Park變換將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,。將d-q坐標(biāo)系中的電流信號與它們的參考輸入Isq_ref和Isd_ref相比較,,其中Isd_ref=0。通過PI控制器獲得理想的控制量,??刂菩盘栐偻ㄟ^Park逆變器,送到PWM逆變器,,從而得到控制定子三相對稱繞組的實(shí)際電流,。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值,內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號,,從而構(gòu)成了一個(gè)完整的速度矢量控制系統(tǒng),。


系統(tǒng)角度細(xì)分方法
???在BLDC中通常采用三個(gè)霍爾器件作為位置反饋信號。在這種情況下,,每個(gè)360°區(qū)間內(nèi)共有6種位置狀態(tài),,每種狀態(tài)持續(xù)60°電角度。為進(jìn)行矢量控制運(yùn)算,,需要對角度進(jìn)行細(xì)分,。

圖8 霍爾周期的計(jì)算


???角度細(xì)分的方法如下:首先根據(jù)霍爾信號的觸發(fā)沿得到當(dāng)前時(shí)間,再與上一次沿觸發(fā)的時(shí)間相減即可得到相鄰兩次沿觸發(fā)的周期,。由于在實(shí)際系統(tǒng)中霍爾信號或者永磁體分布不均勻,,因此采用如圖8中所示的方法計(jì)算霍爾中斷的周期,從而消除系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差,。由上述可知:T=T1+T2+T3+T4+T5+T6,,則:


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再根據(jù)計(jì)算周期時(shí)間即可以得到每一個(gè)中斷周期的角度實(shí)際值。


??? 在實(shí)際計(jì)算過程中由于計(jì)時(shí)的誤差等因素會對實(shí)際角度的計(jì)算造成一定的偏差,,在這種情況下,,可采用PLL技術(shù)對計(jì)算所得到的進(jìn)行補(bǔ)償以取得更準(zhǔn)確的位置角。


軟件流程
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??? 系統(tǒng)軟件主要包括以下各個(gè)功能塊,,分別實(shí)現(xiàn)不同的功能,。HALL信號檢測模塊用以檢測三相霍爾信號的電平變化,得到霍爾中斷的周期,,從而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際速度(作為速度反饋值)和?駐?茲的值(用以計(jì)算電角度),。電流檢測模塊用以檢測電機(jī)的母線電流,根據(jù)觸發(fā)A/D采樣時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)重構(gòu)出電機(jī)的三相電流以進(jìn)行電流的旋轉(zhuǎn)變換,。外圍功能模塊用以進(jìn)行其他各種外圍的檢測和控制,,包括各種保護(hù)功能等。定時(shí)中斷模塊為系統(tǒng)的核心模塊,,完成系統(tǒng)的各種計(jì)算功能,,包括速度環(huán)PID運(yùn)算,、矢量旋轉(zhuǎn)變換、電流環(huán)PI運(yùn)算和SVPWM計(jì)算功能,,其流程如圖9所示,。

圖9 閉環(huán)計(jì)算流程圖
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?? 78K0R/IC3系列單片機(jī)是一種適合電機(jī)控制的專用驅(qū)動(dòng)芯片,其實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng),,運(yùn)算速度快,,且內(nèi)部集成了電機(jī)控制的部分外圍電路。本文根據(jù)電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)的控制要求設(shè)計(jì)了基于?滋PD78F1213的控制器,,對電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了180°正弦波控制,。試驗(yàn)表明:78K0R/IC3系列芯片在處理速度和外部資源上都充分滿足電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)的需要,并且由于其內(nèi)在的高集成度降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,;在180°正弦波控制方式下,,電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小,機(jī)械噪聲得到了很大的抑制,,運(yùn)行更加平穩(wěn),。
參考文獻(xiàn)
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