基于MCS-196单片机的永磁同步电动机速度控制系统设计.doc

基于MSC-196单片机的永磁同步电动机速度控制系统设计基于MSC-196单片机的永磁同步电动机速度控制系统设计1.引言在交直流电机中，若用永磁体来取代直流励磁以产生气隙磁场的电机，称为永磁电机。永磁电机具有体积小、效率高、运行可靠等优点，在许多情况下可以实现无刷化，因此在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得广泛的应用。永磁同步电动机的定子接到交流电网，与传统同步电动机相同，定子绕组为对称三相短距、分布绕组，定子电流喂三相正弦电流，转子采用特殊外形的永磁体以产生正弦分布的气隙磁场。与传统的同步电动机相比较，采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化、提高了可靠性，又节约了用铜、省去了转子铜耗、提高了电机的效率。与同容量的感应电机相比较，可以显著的提高功率因数，并使额定效率提高2%-8%，轻载时节能效果更为明显。其结构的简单程度和运行可靠性大体上与笼型感应电动机相当。1本次设计的是基于80C196MC单片机的PWM驱动的电压型逆变桥控制的电流、转速双闭环永磁同步电动机速度控制系统，根据设计要求完成了系统框图、硬件框图、系统各部分电路的设计。本文将对各个部分的硬件电路功能实现作详细说明。分析了速度环、电流环以及单片机控制环在永磁同步电动机速度控制系统中的作用。2.速度控制原理 当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组。从而产生空载电动势。为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数：忽略电动机的铁心饱和；不计电机中的涡流和磁滞损耗；定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。 在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转(d，q)坐标系和两相静止(，)坐标系。图1给出永磁同步电动机在(d，q)旋转坐标系下的矢量图。 图1永磁同步电动机矢量图定子磁链方程定子电压方程电磁转矩若使isd=0，电压方程为电磁转矩为可见，当r=常数时，Tesis。 上述公式中，usd、usq、isd、isp、sd、sq分别为d、q轴上的定子电压、电流及磁链分量；R为定子相电阻；Ld、Lq为d、q轴上的定子电感；为转子旋转的电角速度；r为永磁体对应的转子磁链；p=d/dt为微分算子。3.速度控制系统系统框图图2 永磁同步电动机速度控制系统框图 永磁电动机速度控制系统组成如图2。该控制系统主要由永磁同步电动机、变频器、转子位置传感器、控制单元四部分组成。 主回路：脉宽调制变频器、永磁同步电动机、转子位置检测器、电流传感器，控制回路：速度调节环及PI调节器、电流调节环及PI调节器、矢量变换单元、SVPWM生成器及驱动电路。 控制过程为：输出nref作为速度控制器的给定信号，与检测到的转子速度n相比较后，经速度PI控制器的调节，输出isqref作为电流控制器的给定信号。同时，经过坐标变换后，定子反馈的三相电流为isq、isd通过控制d轴电流给定电流isdref=0。与给定值相比较后，经过电流PI调节器输出为d、q轴的电压，经过逆变换后喂a、B轴的电压。通过SVPWM模块 输出6路PWM驱动IGBT，产生可变频和幅值的三相正弦电流输出电机定子。4.永磁同步电动机速度控制系统硬件框图图3 系统硬件框图 系统总硬件框图如图3，下面分别介绍各部分电路组成及功能。4.1三相不可控整流电路图4 三相不可控整流电路三相不可控整流电路图如图4，其中电容用来滤波，电网电压为380V。4.2三相电压型桥式逆变电路图5 三相电压型桥式逆变电路 采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路如图5。和单相半桥、全桥逆变电路相同，三相电压型桥式逆变电路的基本工作方式也是180。导电方式，即每个桥臂的导电角度为180。，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因此每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，因此也被称为纵向换流。 下面简单分析三相电压型桥式逆变电路的工作波形。对U想输出来说，当桥臂1导通时，uUN=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN=-Ud/2。因此，uUN的波形是幅值为Ud/2的矩形波。V、W两相情况与U相类似，uVN、uWN的波形形状和uUN相同，只是相位依次相差120。2 图中所用IGBT为FGA25N120AN，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。三相电压型桥式逆变电路中的六个功率IGBT采用三片专用的IR2111集成电路驱动芯片完成驱动任务，IR2111内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输人级直流电源；可实现对功率IGBT的最优驱动，还具有完善的保护功能，它的应用可提高系统的集成度和可靠性，并可大大缩小线路板的尺寸。4.3三相电压型桥式逆变电路的驱动隔离电路图6 驱动隔离电路 IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入级直流电源即可实现对同相两个逆变器件的驱动，非常适合作为三相全控桥的驱动电路。IR2111驱动三相电压型桥式逆变电路中IGBT的电路图如图6。其中，C1为电源滤波电容，一般为0.47uF以上的非电解电容，C2为自举电解电容，自举电容C2大小的选择取决于开关频率及IGBT输入电容充放电要求等。C2的充电是在C1导通或负载有电流流过时自行完成的，也称自举电容。充电回路是Vcc充电二极管C2C1或负载COM。控制信号长时间的为逻辑1，会导致上管电容的电荷用尽而截止上管，因此控制信号的占空比不能为100%。充电二极管用来防止上管导通时，高压电窜入Vcc端损坏低压器件，也称自举二极管。在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且应是快恢复二极管，以减小从自举电容向电源Vcc的回馈电荷。其反向耐压应大于功率端电压，恢复时间应小100ns。D1为自举二极管，作为续流二极管使用，其耐压值需大于直流电压并且必须为快恢复二极管，以减小从自举电容向电源的回馈电荷，型号为UF4007快恢复二极管。单片机输出的SVPWM经光耦隔离器6N137之后，输出至IR2111的输入端，此处的光电耦合器对PWM信号起到隔离、电平转换和功率放大的作用。信号通过IR2111芯片，在Ho和Lo端输出一组具有一定死区时间的互补驱动信号，经过驱动电阻后用于控制逆变桥同一桥臂的两只功率IGBT管，且Ho驱动上桥臂G1，Lo驱动下桥臂G4。R3、R4为栅极驱动电阻，作用是通过其延缓功率管极间电容的冲、放电速度，从而降低不必要的高开关速度，起到保护功率管的作用，一般阻值在几个到几十个欧姆。4.4速度检测电路4.4.1 M/T测速法原理本系统采用M/T法测速，原理如图7所示，在规定的检测时间Tc（s）内，对光电码盘输出的脉冲个数m1进行计数，且同时对在稍大于规定时间Tc的某一时间Td内，对高频时钟脉冲个数m2进行计数，其中Td的开始和结束都应当正好是光电码盘脉冲的上跳沿，以保证检测的精度。于是可以求出转速为： 在式中，P为光电码盘转一周发出的脉冲数；f0为高频时钟脉冲的频率。图7 M/T法测速原理图4.4.2 电机转速检测电路图8 速度检测电路速度检测电路主要作用是将转速信号转变为脉冲信号，为系统提供满足要求的转速反馈信号，其电路如图8所示，利用单片机中的定时/计数器配合光电码盘的输出信号测量转速，电路由光电码盘、光电隔离器、施密特触发器和D触发器组成，其中，光电码盘发出的齿脉冲信号，通过光电隔离器6N137的隔离，输出至施密特触发器整形，然后后输出方波信号，再由D触发器送入单片机的定时/计数器计数。单片机80C196MC的PWM0口产生一个宽度为Tc的脉冲，送至D触发器的D端，D触发器的CLK端则接受经过施密特触发器整形后的光电码盘脉冲信号PLG。Q-端输出的脉冲，宽度为Td，其下降沿及上升沿均和PLG脉冲的上升沿同步，保证在Td时间内包含整数个PLG脉冲，数字量输入口P0.1口采用中断工作方式，应用适当的中断程序，得出时间Td,PLG脉冲串同时输入P0.0口，利用80C196MC内的计数器计数，再通过适当的中断程序完成M/T法测速的功能。34.4.3 转速检测电路中电阻参数的确定6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。其输出电路属于集电极开路，需要一个上拉电阻R3=8k；为了限制输入端的电流，需要串入一个限流电阻R1=2k。4.5 电流检测电路4.5.1电流检测电路硬件图图9 基于霍尔传感器HNC-161的电流检测电路电流检测电路由霍尔传感器、滤波放大电路构成，如图9所示，霍尔传感器采用HNC-161，HNC-161闭环霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理的新一代电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。具有高精度、低温漂、宽频带、抗干扰能力强的特点。图中使用两个霍尔传感器，分别用于测量永磁同步电动机的U、V两相的相电流。正常工作时，需接入驱动电源，V+：15V，V- ：-15V，Is为传感器输出的电流，Is经过外接的采样电阻Rm后转换成电压信号，通过滤波，放大电路后，将检测到的电压信号分别送入单片机的P0.2，P0.3口，进行A/D转换。4.5.2电流检测电路中参数确定 滤波电路由TL321构成一个有源低通滤波器，按照设计的参数可知，其截止频率fc为: 在上式中，k为放大系数，k=R1/R2，可计算出截止频率为10Hz，可以滤掉大部分由电刷和换向器造成的电压纹波及因振动造成的各种杂波。 霍尔传感器采用的是HNC-161型，其测量电流计算式为：在上式中，Np为待测电流流过的绕组匝数；Ns为补偿电流流过的绕组匝数；Is为霍尔电流传感器测量端输出电流。 在已知的Ns和Np条件下，只要测得Is，即可求出待测电流Ip，再由实际中测量采样电阻Rm上的电压降求得Vm，将Vm送入单片机处理，在适当的程序下，计算出Ip。霍尔电流传感器输出的Is电流最大为125mA，经过采样电阻Rm后，在Rm上形成最大不超过15V的采样电压，以适应运算放大器输入电压要求。TL321输出的电压不大于5V，然后再将这个电压送入单片机内部的A/D模数转换器处理,得到相应的数字信号。4.6控制电源硬件电路 以LM78、79系列的三端稳压器构成的直流稳压电源电路如图10所示图10 +5V、+-12V、+-15稳压电源 根据电路中所需要的驱动电压要求，利用四个IN4700二极管构成的桥式整流电路，再经过滤波电路，再利用LM78、79三端稳压器设计了+5V，+-12V，+-15V直流稳压电源。其中变压器的原边直接接入民用220V/50Hz三相交流电压。电容C1、C2的作用是滤波，C3、C4用来防止自激振荡，C5、C6用来稳压。 4.7 单片机硬件系统电路 以80C196MC为控制系统核心的单片机硬件电路如图11，其电路组成有程序存储器27256，锁存器74LS373，手动复位电路、晶振电路以及单片机80C196MC。图11 80C196MC硬件电路 80C196MC为64脚封装，16位微控制器，它由一个C196核心、一个三相波形发生器WFG和若干个其它片内器件组成，其它器件包括一个A/D转换器、一个事件处理门阵列（EPA）、两个定时器和一个脉宽调制单元，波形发生器WFG能够产生独立的3相6路PWM波。 27256是32K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为100mA，维持电流为40mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。74LS273是8位数据/地址锁存器，它是一种带清除功能的8D触发器。 晶振电路两旁的电容一般为30pF，其作用是满足谐振的条件，具体讲就是：晶体元件的负载电容是指在电路中跨接晶体两端的总的外界有效电容，是指晶振要正常震荡所需要的电容。一般外接电容，是为了使晶振两端的等效电容等于或接近负载电容。电容接地实际上就是电容三点式电路的分压电容, 接地点就是分压点. 以接地点即分压点为参考点, 振荡引脚的输入和输出是反相的, 但从并联谐振回路即石英晶体两端来看, 形成一个正反馈以保证电路持续振荡。5.总结 系统总的硬件电路图如图12图12 基于80C196MC单片机的永磁同步电动机速度控制系统硬件总电路 本次课程设计的题目是基于MCS-196单片机的永磁同步电动机速度控制系统设计，单片机的型号采用了老师推荐的80C196MC，其较其它单片机而言，具有一个独有的波形发生器WFG，能够产生3相6路PWM波，常用于交流电机的控制系统中。 设计首先完成了系统框图的设计，明确了永磁同步电动机速度控制的方法基于80C196MC的PWM波的电流、转速双闭环调速。明确了主回路的主要组成部分，以及控制过程的实现方法。然后完成了系统硬件框图的设计，包括整流电路、逆变电路、驱动隔离电路、电流检测