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小功率永磁同步电机无速度传感控制器

2022-08-20 02:02:16

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。