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工學(xué)]基于dspic33f的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器軟件設(shè)計(jì)-資料下載頁

2024-11-08 01:16本頁面

【導(dǎo)讀】本文介紹了直流電機(jī)與無刷直流電機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀。還提及了無刷直流電機(jī)控制技術(shù)。本文中研究了反電勢過零檢測的啟動原理并描述其。軟件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié),之后介紹了無刷直流電機(jī)控制軟件的開發(fā)工具與軟硬件結(jié)構(gòu)。出了控制系統(tǒng)的軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)及其仿真和實(shí)物調(diào)試的結(jié)果。本文的軟件設(shè)計(jì)是基于microchip公司的dsPIC33F系列芯片。在軟件設(shè)計(jì)過程中使用。最終與硬件同學(xué)共同完成基于的dsPIC33F的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)則是采用PID控制算法。過流和溫度等保護(hù)。

  

【正文】 1OVDCON =0。 P1DC1=PDCDUTY。 P1DC2=P1DC1。 P1DC3=P1DC1。 P1TCON = 0x8000。 = 0。 } ADC的初始化 設(shè)置 該 模塊 的 初始狀態(tài)為: 首先 關(guān)閉 ADC模塊, 并設(shè)置 在空閑模式下 ADC模塊繼續(xù)工作 。 采用 10位 4通道 的 ADC, 數(shù)據(jù)輸出格式 為 整數(shù) 。 參考電壓采用 Avdd/Avss, 轉(zhuǎn)換 CH0、 CH CH2和 CH3共 4個通道 ,并對 CH0輸入 進(jìn)行 掃描 。 選擇對 AN0, AN1, AN2,AN6輸入進(jìn)行掃描,其余跳過 。 同時 自動采樣 CH0、 CH CH2和 CH3。 通道 0的同相輸入初始化為 AN0,其 反相輸入為 VREF。 CH1的同相輸入為 AN3, CH2的同相輸入為 AN4, CH3的同相輸入為 AN5。而 CH CH2 和 CH3的反相輸入都為 VREF。 自動采樣時間 采用 2Tad, A/D時鐘由系統(tǒng)時鐘產(chǎn)福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 生 (8Tcy)。 由 于是采用 MPWM間隔結(jié)束采樣并啟動轉(zhuǎn)換 ,所以 轉(zhuǎn)換時間大約 為 ( )/4。 AN06引腳 設(shè)置為 模擬模式,禁止端口讀取輸入, A/D 采樣引腳電壓 。 所有其他端口則設(shè)置為 數(shù)字模式,使能端口讀取輸入 , A/D 輸入多路開關(guān)輸入連接到 AVSS。 總是使用 MUX A輸入多路開關(guān)設(shè)置 ,而 不用 MUXB。 每完成 4個采樣 /轉(zhuǎn)換過程后產(chǎn)生 一次 中斷 ,并 清 ADC中斷標(biāo)志 。 以下為 ADC初始化代碼: void setup_adc(void) { AD1CON1 = 0x006F。 AD1CON2 = 0x020C。 AD1CON3 = 0x0207。 AD1CHS0 = 0。 AD1CHS123 =1。 AD1PCFGL = 0x0180。 AD1CSSL =0x0047。 = 0。 } 5. 2 ADC中斷子程序 軟件 中出現(xiàn)的中斷有 ADC每 4個采樣中斷。軟件除初始化所有的步驟都是在中斷中執(zhí)行的。如上文提出的電機(jī)的三步啟動法與下文正要說明的 PID控制。因?yàn)?ADC模塊是由 PWM觸發(fā)的,且每采樣 4次產(chǎn)生一次中斷。所以它每次產(chǎn)生中斷的時間間隔為 250181。s。軟件的其 中 斷 標(biāo) 志 清 零ADC采 樣 值 給 相 應(yīng)變 量三 步 啟 動反 電 勢 檢 測軟 件 保 護(hù)PID控 制ADC中 斷 圖 52 中斷子程序流程圖 基于 dsPIC33F的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器軟件 設(shè)計(jì) 21 他操作以這 250181。s時間為單位進(jìn)行循環(huán)。 中斷子程序流程如 圖 52所示 。 在 ADC中斷子程序中包括以下幾個 程序: AD轉(zhuǎn)換子程序 , PWM脈 寬調(diào)制子程序 , 反電勢過零檢測的三步啟動子 程序, PID算法子程序 , 保護(hù)子程序 。 ( 1) AD轉(zhuǎn)換子程序 在 本軟件 中, AD轉(zhuǎn)換使用的是 10位 ADC模塊。四通道同 時自動采樣由 MPWM觸發(fā)轉(zhuǎn)換,并 A D 1 C H S 0 = ?C H 0 采 樣 溫 度C H 0 采 樣 給定 轉(zhuǎn) 速C H 0 采 樣 電流C H 0 采 樣 電壓A D 1 C H S 0 = 0A D 1 C H S 0 = 2A D 1 C H S 0 = 6A D 1 C H 0 = 1其 他 3 通 道采 樣 端 電 壓 圖 53 AD轉(zhuǎn)換程序流程圖 掃描通道 CH0的輸入。每 4次采樣產(chǎn)生一次中斷。所以,每一次中斷 產(chǎn)生時,通道 CH CH2和 CH3采樣的反電勢端電壓信號,故只需將相應(yīng)的緩沖器 ADC1BUF ADC1BUF2和 ADC1BUF3的值取出即可。而通道 CH0采樣的則為 AN0輸入的信號。如果不改變 CH0同相端的輸入引腳,則不能采樣 到其他如 AN2等的輸 入信號。因此,在這里利用 Switch語句,切換 CH0同相端的輸入引腳。每次中斷時,將緩沖器 ADC1BUF0中值輸出給相應(yīng)的變 量,改變 CH0同相端的輸入引腳的控制寄存器 AD1CHS0,切換到下一個引腳。 程序流程 圖 如 圖 53所示。 ( 2) PWM脈寬調(diào)制子程序 P W M 1 H 1P W M 1 L 1 P W M 1 L 2P W M 1 H 2 P W M 1 H 3P W M 1 L 3CBAV1V2V3V4V5V6VB LD C M位置檢測 圖 54 PWM模塊觸發(fā)功率管的順序 福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 在 dsPIC33F系列中,一般有八路 PWM。而在本設(shè)計(jì)采用的 dsPIC33FJ32MC204單片機(jī)中,分成兩個 PWM模塊。在這里使用的是 PWM1模塊的六路 PWM信號。電機(jī)的 PWM控制是通過改變PWM輸出信號的高低電平以及其占空比實(shí)現(xiàn)的。在無刷直流電機(jī)控制中,需要六路 PWM信號控制六個 MOSFET開關(guān)管的導(dǎo)通。當(dāng)然,由于控制芯片輸出信號的功率不足以驅(qū)動 MOSFET開關(guān)管,需在硬件電路上提供功率放大的支持。而與本軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)采用的電路中 , 其 驅(qū)動電路下橋臂所有的 MOSFET驅(qū)動管觸發(fā)電平反相,所以在配置時,下橋臂的 PWM控制信號配置為低有效狀態(tài)。因此在此聲明 PWM輸出信號中, PWM1H PWM1H2和 PWM1H3為高電平有效, PWM1L PWM1L2和 PWM1L3為低電平有效。 在本設(shè)計(jì)中, PWM模塊的低端輸出引腳提供逆變電路的下橋臂控制信號,高端輸出引腳提供逆變電路上橋臂控制信號。具體位置如圖 54所示 。 換 相 邏 輯 5換 相 邏 輯 賦 值 0查 表 得 OVD值是否 圖 55 PWM脈寬調(diào)制子程序的流程圖 圖 56 轉(zhuǎn)子磁極和合成磁勢重合 六路 PWM信號的輸出順序,在前文‘ ’已提及,整個程序 PWM信號的輸出順序都是如此。本軟件六路 PWM信號采用的是 OVD強(qiáng)制改寫控制控制其實(shí)現(xiàn)輸出順序的轉(zhuǎn)換。其中,由于依次輸出的每兩 個 PWM信號中,分別有一個高端輸出引腳和一個低端輸出引腳。且通過它們觸發(fā) MOSFET管,使直流電流流過電機(jī)的一相繞組。因此,每次輸出的兩個 PWM信號,只需改變上橋臂及從高端輸出的 PWM信號的占空比,而下橋臂及從低端輸出的基于 dsPIC33F的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器軟件 設(shè)計(jì) 23 PWM信號則在此期間保持有效。即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流的控制。而要達(dá)到上述的控制,可以通過 OVD強(qiáng)制控制與改變占空比結(jié)合實(shí)現(xiàn),相應(yīng)的 OVD強(qiáng)制控制寄存器配置如 表 格 2所示 。 將上述的 OVD強(qiáng)制控制寄存器 的值制成表格,通過查表改變六路 PWM信號的輸出順序。設(shè)置一個變量表征 PWM信號的輸出順序的狀態(tài),如 以 rotorpostion表示。六個輸出狀態(tài)以05表示。初始狀態(tài)為 1,當(dāng) rotorpostion大于 5時,重新將之置為 0。以 rotorpostion的值查表,即可獲得 OVD強(qiáng)制控制寄存器 ,實(shí)現(xiàn)輸出順序的切換。 占空比的調(diào)整則是通過改變 PWM1模塊的占空比寄存器 P1DC P1DC2和 P1DC3實(shí)現(xiàn)。 PWM脈寬調(diào)制子程序的流程圖 如圖 55所示。 表格 2 OVD強(qiáng)制控制寄存器配置 PWM短口 POVD H3 POVD H2 POVD H1 POVD L3 POVD L2 POVD L1 POUT H3 POUT H2 POUT H1 POUT L3 POUT L2 POUT L1 H3L1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 H2L1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 H2L3 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 H1L3 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 H1L2 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 H3L2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 ( 3)反電勢過零檢測的三步啟動 子 程序 作為 一個實(shí)時系統(tǒng), 采用 反電勢過零 檢測 法的 軟件控制系統(tǒng)的是建立在位置檢測電路正確檢測到位置信號的基礎(chǔ)上的。 當(dāng) 三步啟動完成后,電機(jī)就可以以 反電勢過零檢測 法運(yùn)行 。切換時, 需要 通過軟件調(diào)整電機(jī)電壓 及換相時間并根據(jù)速度誤差,使切換時刻最佳,盡可能的使切換時電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動最小。反電勢過零檢測三步啟動主 要由 磁定位、步進(jìn)加速及切換到自同步三 個部分組成 。程序是在中斷時執(zhí)行的,每次 ADC中斷執(zhí)行一次,間隔 250181。s。 ① 磁定位 在起動前 ,采用 無位置傳感器 控制法的 無刷直流電機(jī) 的轉(zhuǎn)子位置是不可知 ,因此,必須先確定 轉(zhuǎn)子 位置 ,才能進(jìn)行后續(xù)的控制 。 根據(jù)三步啟動技術(shù) 在本設(shè)計(jì)中 , 由主控芯片dsPIC33FJ32MC204同時產(chǎn)生兩路 PWM電平,一路為 PWM1H3,滿占空比;另一路為 PWM1L1,采用強(qiáng)制控制寄存器置位為高位。通過硬件產(chǎn)生兩高電平分別驅(qū)動 MOSFET功率開關(guān)管 T5,T2,使它們導(dǎo)通, 給電機(jī) A相、 C相通 電,產(chǎn)生一個合成磁勢,使轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn)動,直 至 轉(zhuǎn) 子 磁極和這個合成磁勢重合, 如圖 56所示 。 而對于存在的 最壞情況,即 A相和 C相產(chǎn)生的 定向磁場 與 轉(zhuǎn) 子 磁場之間的夾角為 180186。時,理論上這時的電磁轉(zhuǎn)矩為零, 將出現(xiàn) 轉(zhuǎn) 子無法 轉(zhuǎn)到預(yù)定位置 的情況 。 不同于理論 ,在 實(shí)際情況下, 這時 處于一 個非穩(wěn)定平衡狀態(tài) 的 轉(zhuǎn) 子 ,任意的擾動都會使得轉(zhuǎn) 子偏離該 平衡位置 出現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩 ,從而使轉(zhuǎn) 子 向合成磁勢方向旋轉(zhuǎn), 最后達(dá)到 預(yù)定位置。因此,只要施加一定的電壓,控制繞組電流,產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩就可將 轉(zhuǎn) 子 定位 于 預(yù)定的位置。 轉(zhuǎn) 子到達(dá)預(yù)定位 點(diǎn)以后,將在 預(yù)定位點(diǎn)附近 擺動 而并不立刻靜止 。 而 經(jīng)過 幾 次擺動后福州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 靜止 于 預(yù)定位點(diǎn)。所以,為了使轉(zhuǎn) 子 的時間定位足夠,保持 A、 C兩 相通電 一定 長 的時間,同時調(diào)節(jié) PWM信號占空比保持適當(dāng)?shù)碾娏?,以產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩保證轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn)動到預(yù)定的位置。 在本設(shè)計(jì)中,由于定位時間很短,故 PWM信號占空比 采用滿占空比。 本設(shè)計(jì)采用的是先取定位時間為 ,經(jīng)實(shí)驗(yàn)整定確定最終定位時間。 本設(shè)計(jì)的時序統(tǒng)一采用以 PWM觸發(fā)的 A\D每次中斷的計(jì)數(shù) 。 在 40MHz工作頻率下,計(jì)數(shù)值 COUNT每計(jì)數(shù)一次的時間間隔為 250181。S, 預(yù)定位位置為 0, A相上橋臂 PWM與 C相下橋臂高 電平 ,使電機(jī)有足夠的時間 旋 轉(zhuǎn) 至 預(yù)定位置, 初始化時先置定位 完成標(biāo)志位 ,即 0, ADC模塊啟動后,即進(jìn)入磁定位狀態(tài)。 當(dāng)定時時間到了之后即為 ,置 定位 完成標(biāo)志位為 1, 定位完成 。 磁定位的流程圖如 圖 57所示。 F l a g s . d i n w e i w a nc h e n = 0 ?換 相 邏 輯 賦 值 0是磁 定 位 時 間到 ?F l a g s . d i n w e i wa n c h e n 賦 值 1是否否 圖 57 磁定位的流程圖 ② 步進(jìn)加速 轉(zhuǎn) 子 定位完成以后就需要對電機(jī)加速, 采用類似步進(jìn)的方式 使電機(jī)轉(zhuǎn)速 增加到 一定 數(shù)值 , 直至 反電勢 足夠大使主控芯片可 以檢測 出 其 正確的 過零點(diǎn)。 當(dāng)計(jì)數(shù)值 COUNT等于定位時間后,開始 按照預(yù)先設(shè)置好的換相順序 控制 PWM依次輸出兩路高電平,分別為 PWM1H2與 PWM1L PWM1H2與 PWM1L PWM1H1與 PWM1L PWM1H1與 PWM1LPWM1H3與 PWM1L PWM1H3與 PWM1L1?? 并以 此 順序 循環(huán) ,通過相應(yīng) 的驅(qū)動電路觸發(fā) 功率 開關(guān)管使它們 輪流 兩個同時 導(dǎo)通, 使流過三相定子繞組的電流, 在空間形成 旋轉(zhuǎn)的 磁場, 帶動轉(zhuǎn)子永磁 磁場沿著某一方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子 定位導(dǎo)通的是 V5V2功率 管 (即狀態(tài) 0),那么后面就依次導(dǎo)通 V3V2, V3V6, V1V6, V1V4, V5V4, V5V2?? 從狀態(tài) 1一直到狀態(tài) 5再回到狀態(tài)0,如此循環(huán)導(dǎo)通,帶動 轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)。 基于 dsPIC33F的無刷直流電機(jī)驅(qū)動器軟件 設(shè)計(jì) 25 作為 一個開環(huán)運(yùn)行 的 過程,外同步加速 ,即步進(jìn)加速 每次 的 換相 不能準(zhǔn)確可靠的獲知轉(zhuǎn)子 是否轉(zhuǎn)到了相應(yīng)的換相位置 。但是 如果 轉(zhuǎn)子 偏離換相位置太多,就會 導(dǎo)致 外同步加速的 失敗。因此,外同步 加速過程中需要合理控制繞組外施電壓的大小,盡量使電動機(jī)換相時刻 接近最佳換相邏輯,才能保證外同步加速的成功。最佳換相邏輯 ,即 在懸空相繞組反電勢過零點(diǎn)后延遲對應(yīng) 30186。電角度時間的時刻進(jìn)行換相,實(shí)際上這就是使用位置傳感器時的換相位置。在外同步加速過程中,應(yīng)調(diào)整外施電壓和換相時間,使實(shí)際換相位置接近最佳換相位置, 處于 這種運(yùn)行狀態(tài)下的電動機(jī) ,其 加速平穩(wěn),振動 最 小,是比較理想的加速狀態(tài)。 F l a g s . d i n w e i w a nc h e n = 1 ?C
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