基于C8051F500的開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

姬起群，施火泉

(江南大學(xué)，江蘇無錫214122)

0 引 言

隨著釹鐵硼磁鋼緊缺和價格的上漲，加快了開關(guān)磁阻電動機(jī)發(fā)展的步伐。開關(guān)磁阻電動機(jī)(以下簡稱SRM)調(diào)速系統(tǒng)是一種新型的交流調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、起動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、控制靈活、效率高等優(yōu)越性，成為直流調(diào)速和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)強(qiáng)有力的競爭者［1］。

本文以內(nèi)置CAN 2.0B控制器的汽車級微控制器C8051F500作為主控芯片，利用其片內(nèi)資源，簡化外圍硬件電路。重點介紹了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件控制策略，并通過實驗驗證該控制系統(tǒng)可靠性高，調(diào)速性能優(yōu)良。

1 SRM控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖1為以C8051F500為控制核心的開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖，外圍電路主要有:運(yùn)行控制信號輸入電路，位置、電壓、電流反饋信號檢測與保護(hù)電路，PC929驅(qū)動電路，通信接口電路，鍵盤和顯示等。

1.1 控制器

圖1 開關(guān)磁阻電動機(jī)控制系統(tǒng)框圖

采用美國Silicon Labs公司推出的汽車級混合信號微控制器C8051F500。它使用CIP-51微控制器內(nèi)核，運(yùn)算速度高達(dá)50 MIPS，內(nèi)部具有64 kB FLASH，4 352字節(jié) RAM，一個高信噪比的12位ADC，2個電壓比較器，硬件實現(xiàn)UART、SMBUS/I2C和增強(qiáng)的SPI串行接口，內(nèi)置CAN 2.0B和LIN 2.1硬件控制器，4個通用的16位計數(shù)器/定時器(T/C)，6個捕捉/比較模塊的16位可編程計數(shù)器陣列(PCA)，40個通用I/O端口，內(nèi)置電源監(jiān)視器，看門狗和時鐘振蕩器，JTAG在線調(diào)試接口等，高度集成的片上系統(tǒng)為設(shè)計高性能低成本的控制系統(tǒng)提供了方便［2］。

1.2 功率變換器

圖2 功率變換器主電路

控制對象為380 V、55 kW的三相12/8極開關(guān)磁阻電動機(jī)，主開關(guān)管采用300 A/1 200 V的IGBT。圖2為系統(tǒng)功率變換器主電路(A相繞組)，采用不對稱半橋型電路，用足了主開關(guān)管的額定電壓，不存在上下橋臂直通故障，控制簡便，可靠性高。采用三相橋式全波整流電路供電，限流電阻R0限制上電瞬間大的浪涌電流，當(dāng)直流母線電壓高于閥值電壓時，閉合交流接觸器KM，主電路電流從KM流過。兩只耐壓為450 V的電解電容C1、C2串聯(lián)可承受800 V的直流母線電壓，R1、R2為均壓電阻。R7和Q7為過壓放電回路，滿足快速制動的要求。以A相為例，通過PWM控制主開關(guān)器件Q1、Q2同時導(dǎo)通或關(guān)斷來調(diào)整A相的電流，在關(guān)斷時，通過快恢復(fù)續(xù)流二極管D1、D2續(xù)流進(jìn)行能量回饋［3］。

1.3 驅(qū)動電路

日本Sharp公司生產(chǎn)的PC929芯片，具有高速隔離、內(nèi)置過流保護(hù)電路、使用方便等特點，是一種比較典型的驅(qū)動電路芯片。驅(qū)動電流最大為0.4 A，具有小于0.5 ms的高速響應(yīng)時間，隔離電壓高達(dá)4 kV，適用于中小容量 IGBT的驅(qū)動［4］。圖 3為PC929構(gòu)成的IGBT驅(qū)動電路，采用獨(dú)立電源供電，PC929驅(qū)動輸出+15 V和-10 V的柵極電壓。電阻R1、R2、三極管 Q1和穩(wěn)壓管 ZD1(擊穿電壓3.5 V)構(gòu)成欠壓保護(hù)電路，還可以改善PC929的傳輸特性。Q2、Q3組成互補(bǔ)式功率放大器，驅(qū)動中、大功率的IGBT。R9～R12、D1～D3構(gòu)成IGBT集電極電壓檢測電路，與PC929內(nèi)部檢測電路配合，實現(xiàn)過流(OC)保護(hù)。當(dāng)IGBT過流時，PC929立即關(guān)斷驅(qū)動輸出，并由8腳輸出故障信號，經(jīng)過光電耦合后的OC信號輸入單片機(jī)，觸發(fā)功率驅(qū)動保護(hù)中斷，封鎖6路PWM脈沖信號。

圖3 PC929驅(qū)動電路

1.4 檢測電路

1.4.1 位置、角度及速度檢測

采用光電式位置傳感器，它由碼盤和光電脈沖發(fā)生器組成。光電傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)濾波、整形、光耦隔離后送給單片機(jī)，以確定定子和轉(zhuǎn)子的相對位置。圖4(a)為三相位置信號S1、S2、S3，方波周期為45°，相鄰兩相相差15°，三相位置信號異或成周期為15°的方波信號S，此信號分兩路:一路經(jīng)倍頻電路進(jìn)行角度細(xì)分后，送給單片機(jī)進(jìn)行計數(shù)，實現(xiàn)角度位置控制;另一路直接連接單片機(jī)捕獲單元，作為角度計算的參考點，通過M/T法計算電機(jī)實時轉(zhuǎn)速，圖4(b)為一相位置檢測電路［5］。

圖4 位置信號波形和其中一路位置檢測電路

1.4.2 電流檢測

采用霍爾電流傳感器，它具有精度高、響應(yīng)速度快、線性度好、強(qiáng)弱電隔離檢測等優(yōu)點。電流傳感器實時檢測各相電流，電流信號分兩路:一路為模擬量作為電流反饋，經(jīng)電壓跟隨器輸入單片機(jī)ADC引腳，實現(xiàn)電流斬波控制;另一路經(jīng)電壓比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入單片機(jī)外部中斷引腳，實現(xiàn)電機(jī)過流保護(hù)。圖5為一路電流檢測電路。

圖5 電流檢測電路

2 SRM控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件主要包括初始化子程序、給定輸入子程序、兩相起動子程序、角度與轉(zhuǎn)速計算子程序、運(yùn)行子程序、過欠壓與過流等故障保護(hù)子程序和顯示子程序等。圖6為系統(tǒng)軟件控制流程圖，C8051F500采用交叉開關(guān)將外圍設(shè)備配置到P0～P4口，可編程計數(shù)器陣列PCA實現(xiàn)脈寬調(diào)制信號(PWM)的輸出，改變PCA0CPHn的值調(diào)節(jié)PWM的占空比;A/D轉(zhuǎn)換器用于檢測電流反饋和速度給定信號;外部中斷INT0檢測過流信號;通用定時器T/C2用于捕獲轉(zhuǎn)子位置信號，通過CAN控制器與其它設(shè)備通信［2］。

圖6 系統(tǒng)軟件控制流程圖

為了盡量減小轉(zhuǎn)矩脈動，保證良好的調(diào)速性能，系統(tǒng)采用電流斬波控制(CCC)和變角度位置控制(APC)相結(jié)合的電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)控制。圖7為兩種控制方式下實測的電流波形，圖7(a)采用電流斬波控制(CCC)，電流波形成平頂狀，基本實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出;圖7(b)采用變角度位置控制(APC)，開通角 θon=-3°，關(guān)斷角 θoff=18°，有效電流值增加。軟件修正速度滯環(huán)，避免兩種工作方式頻繁切換，從而快速有效地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié) 語

本文充分利用C8051F500的片內(nèi)資源，設(shè)計了主電路、PC929驅(qū)動電路和信號檢測電路，結(jié)合優(yōu)化的軟件控制算法，實現(xiàn)電流斬波控制和變角度位置控制。樣機(jī)實驗表明，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快、有效功率大、轉(zhuǎn)矩脈動小，驗證了該控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的可行性，其具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)速度快、可靠性高，在電動汽車等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用價值。

［1］ 王宏華.開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］ 童長飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］ 譚國俊，韓耀飛，蒯松巖，等.大功率開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［J］.電力電子技術(shù)，2006，40(4):91-98.

［4］ 訾振寧，郝瑞祥，游小杰，等.基于PC929的 IGBT驅(qū)動和保護(hù)電路設(shè)計［J］.電氣技術(shù)，2007(9):28-31.

［5］ 崔建峰，黃文力，孫標(biāo).基于DSP的開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(10):75-77.