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近幾年來，隨著電力電子技術的飛速發展，永磁無刷直流電機的本體及其相關控制技術得到迅猛的發展。永磁無刷直流電機有著噪音低、效率高、控制簡單、功率密度高等諸多優點，因此在交通、航空、航天、軍工、伺服控制以及家電領域得到廣泛應用。 對方波型無刷直流電機的控制方式主要有H_PWM_L_0N調制方式、H_ON_L_PWM調制方式、H-PWMLPWM調制方式等。 本文介紹如何用80C196MH來實現H_WM_L_0N調制方式，并在上管進行PWM調制時，對應下管進行互補PWM調制，改進了電機減速停機性能，從而更好地對電機轉速進行控制。Intel80C196MH是專門為電機高速控制所設計，它是由CHMOS電路構成，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期使用，可靠性極高。 1 系統組成 典型的永磁無刷直流電機控制系統如圖1所示。它由電機本體、逆變器、位置傳感器、控制器組成。 在本文中，變頻器采用了富十公司R系列IPM模塊。IPM模塊內含驅動電路和保護電路。控制芯片80C196MH發出的6路PWM控制信號經過光耦TIP52l與驅動電路隔離。lPM保護信號經光耦連至80C196MH的EXTINT功率驅動保護中斷引腳，該引腳檢測到低電平后，80C196MH控制器立刻將所有WG輸出腳(PWM)設置為高電平，關斷所有的IGBT。 對于方波型無刷直流電機，一般采用120°控制方式。脈寬120°的電機和傳統正弦波電機相比，具有整流電壓脈動小，轉矩脈動小的優點。 2 調制方式 本文所采取的PWM調制方式基本屬于H_PWM_L_ON調制方式，即上橋臂PWM調制，下橋臂恒通；為了適應電機制動過程的需要，在該PWM調制策略的基礎之上，加了互補調制策略，即當上橋臂開關管進行PWM凋制時，則對應同一橋臂的下橋臂開關管處于與七橋臂開關管互補調制的狀態。這意味著，當上橋臂開關管開通時，下橋臂開關管處于關斷狀態，而當上橋臂開關管關斷時，下橋臂開關管處于開通狀態。觸發脈沖分配的原理如圖2所示(低電平有效，T表示節拍)。 采用這種調制方式，電機在減速和制動過程中有一定的優勢，下面以減速過程為例來進行分析。在急劇減速階段，因為隨著觸發脈沖寬度的減小，輸出電壓平均值立即下降，但是，由于系統的機械慣性大于電磁慣性，在電源輸出電壓下降瞬間，轉速并未下降，因此，造成電機繞組反電動勢電壓高于電源電壓，從而使電機處于再生發電狀態，能量回饋到直流電源，所產生的電磁轉矩作為制動轉矩使轉速下降。隨著轉速下降，電樞反電動勢也下降，再生發電狀態消失。 設以電流從A相流到C相為例分析。A相上橋臂調制(S1)，C相下橋臂恒通(S2)，同時，S4和S1處于互補調制狀態，如圖3(a)所示。因為電機處于急劇減速狀態，所以電源輸出到電機的平均電壓UAC要低于電機繞組反電動勢平均值eAC表示A、C兩相繞組端子之間的反電動勢，可以看作一個電壓源)，如圖3(b)所示。在一個開關周期內的DoT階段(Do=1一D，D為占空比，T為開關周期)，開關管S1關斷，S4開通，由于繞組呈現感性，相電流方向iA不變，此時電流通過S2、D4續流。到該電流衰減到零時，由于平均反電動勢eAC高于平均直流電壓UAC，對于直流電源來說，電機相當于一個直流電壓源，則在反電動勢作用下，相電流iA反向，因為此時S4處于開通狀態，所以該再生電流通過S4和D2被引入電機繞組，而直流母線電流為零。該再生電流對此時處于正轉的電機來說，為制動轉矩。在DT階段，S1開通，S4關斷；因為S4關斷導致再生電流立即改變流通途徑，通過D1、D2反向流過直流母線開始衰減，此時S1，開通但沒有電流流過。當該電流衰減至零時，S1、S2中開始流過電流并逐漸上升，一直持續到S1關斷為止。 從以上分析過程看出，這種互補調制方式將改變減速過程中繞組電流的流向，使電機繞組產生較大的制動力矩，有利于更快地減速，此時直流電流變為負值，對直流端電容充電。本系統采用不控整流所得到的直流電壓為電機供電，因此無法將能量回饋到電網，需要一個途徑將反饋到直流側的能量釋放。為此在電路中并聯了一個由開關器件控制導通的功率電阻，當直流側的電壓達到一定的值時，部分能量就通過電阻以熱能的形式消耗掉。電阻發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常制動和減速的情況，如果電機需頻繁制動和減速，可以考慮使用能量可回饋的變流電路。 3 調制方式的軟件實現 80C196MH內部自帶EPA和WC功能模塊。WG波形發生器需要用到如下幾個寄存器：WG_COUNT(加／減時基寄存器)、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設置WC的方式(如占空比的裝載方式)，WG_OUT用來選擇6個輸出引腳上的輸出信號(高電平、低電平或PWM)。 當PWM的占空比最大(100％)時，其輸出電壓平均值最大，占空比最小(0％)時，其輸出的電壓為O。因此，AMP數據與占空比是成正比的。在程序中，占空比的值存儲在寄存器AMPLUDE中。占空比(AMPLITUDE)_WG_OMP／WG_RELOAD，考慮到表格數據以及規格化(100％_0FFFFH)，故有： 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(本系統采用邊緣對準PWM方式3)。 AMP×WG_RELOAD得到32位的乘積，只取其高位字，就實現了除以216的操作。 利用80C196MH的EPA和WG功能模塊，根據換相順序確定輸出6路PWM信號和電平信號。增加了互補策略的H_PWM_L_ON調制方式的波形輸出時序如表1所列。 表中：WG1和WG1（P6.0和P6.1）表示相1信號； WG2和WG2（P6.2和P6.3）表示相2信號； WG3和WG3（P6.4和P6.5）表示相3信號； WFG表示引腳上出現PWM波形。 PO 2、PO．1、PO．O用來表示位置信號在程序節拍號由電機傳送給單片機的位置信號來表示。在本系統中，位置信號傳給單片機的PO．2、PO.l、PO．O。根據位置信號的改變來改變WG_OUT寄存器的輸出，從而進行換相。 根據前面給出的波形輸出時序，圖4給出了換相子程序的流程圖。在本系統中，占空比的設置在波形發生器中斷服務程序中完成的，因此，在這里只需要設置WG_OUT來改變波形發生器的輸出值。 4 實驗結論 根據以上的控制策略，制作了一臺永磁直流無刷電機的樣機，并將它應用于工業縫紉機。圖5是實驗過程中得到的母線電流波形。如圖5中所示，在電機正常工作時，母線上會產生負電流，這是由下管的換向引起的。在實際應用中，可以采用換向延遲的方法來改善正常工作時母線電流的波形。 圖6是停機過程母線電流波形，在電機停機過程中，由于電機處于再生制動狀態，直流母線的平均電流為負值，電機作發電機運行，獲得了較大的制動力矩，從而使電機能夠快速地停機。 |
