无传感器直流无刷电机DSP控制系统在变频空调中的应用.docx

无传感器直流无刷电机DSP控制系统在变频空调中的应用无传感器直流无刷电机DSP控制系统在变频空调中的应用ronggang导语：本文还给出了采用单片机的一种低本钱实用BDC电机控制方案。在BDC电机中采用高效的单片机设计可以获得运行噪声小、速度和扭矩控制精度高的低本钱解决方案有刷直流BDC电机广泛被用于多种应用中，包括很多小型设备和小家电。传统上，小型设备/家电市场采用模拟控制方法来驱动BDC电机。低本钱单片机解决方案为BDC电机控制带来方法的重大革新。BDC电机结合带有智能的单片机即增强了此类小型设备的功能，同时又进步了能源效率。本文描绘了BDC电机的根本工作原理和应用。此外，本文还给出了采用单片机的一种低本钱实用BDC电机控制方案。在BDC电机中采用高效的单片机设计可以获得运行噪声小、速度和扭矩控制精度高的低本钱解决方案。有刷直流BDC电机的工作原理图1示出的是BDC电机的根本构造。图中画出的组件包括定子、转子、电刷和换向器。定子和转子磁场互相作用驱动电机旋转。有刷直流电机的类型根据电机定子或者外壳中磁场的产生方式来划分。根据有刷直流电机的类型，定子磁场可以由永磁铁或者定子中的绕组产生。对于后一种情况，定子绕组与转子绕组可以是并行、串行、或者混合方式连接。这三种有刷直流电机分别称为并激电动机、串激电动机和复激电动机。定子产生静止磁场。这一静止磁场围绕在电枢或者称转子的四周。外加电源激发出电枢磁场。BDC电机轴上还有两个圆弧形的铜片，称为换向片。电机转动时，碳质的电刷在换向器上滑动。这样就可以产生一个与定子的静止磁场相吸引的旋转磁场。电枢和定子绕组中的电流由电池或者其它直流电源供应永磁BDC电机没有定子绕组。电池或者直流电源提供恒定的直流电压。电压幅度决定了电机的转速，因此是电池或者直流电源是一个线性鼓励源。改变BDC电机速度的最有效方式是采用脉宽调制PWM技术。PWM技术是以固定的频率开关恒压源。改变PWM信号的脉冲宽度可以调节电机的速度。脉冲上下电平间的比例称为PWM信号的占空比。直流电池电平的幅度即是PWM信号的平均幅度。应用实例：单片机/电机控制实例单片机设计中带有内建的外设，因此只需要最少量的外部元器件就可以轻易地实现BDC电机的速度和方向控制。PIC16F684是一款14引脚单片机，对于低本钱双向BDC电机控制非常理想。之所以选择PIC16F684做为例子，是由于这款单片机带有内建的外设，只需要最少量的外部元器件就可以轻易地实现BDC电机的速度和方向控制。这款单片机的两大特点对于BDC电机控制非常有用。首先，片上内建有增强捕捉/比拟/PWMECCP模块，当配置为全桥形式时，可以提供直接驱动H桥电路所需要的PWM信号。H桥电路可以为电机提供双向电流驱动。PIC16F684第二个非常合适电机控制器的特点是可以产生频率高达31.2kHz的8位PWM信号。对于电机控制应用来讲，这一点很重要，由于低于20kHz的频率会导致电机产生人听觉范围内的噪声。不需要增加任何外部时钟源，PIC16F684就可以提供高于听觉频率的8位分辨率。为了获得高出听觉频率范围的频率，此前的单片机需要在运行时降低PWM的分辨率。与其它具备ECCP的单片机相比，PIC16F684体积小且本钱效率高。利用片上ECCP模块做为PWM硬件发生器，而不是采用过去的软件解决方案，珍贵的单片机处理器资源可以用于完成其它任务。此类应用中使用的片上外设除ECCP模块外，还有一个内部10位模数转换器ADC。ECCP有捕捉形式可捕捉定时器存放器的16位值、几个比拟器和4个PWM。在无传感器的BDC电机控制应用中，4个PWM通道是一个重要上风。如图2所示，配合外部桥和4个FET驱动器件，单片机的PWM模块可以轻易地实现双向电机控制。图2中的低本钱BDC电机控制系统在全桥PWM形式下使用ECCP。用户可轻易地配置PWM占空比，并实时改变单片机内部振荡器。此外，利用单片机片上的一个10位ADC来测量反向电动势EMF，PIC16F684可以轻易地跟踪电机的转速RPM。本应用中的硬件有三个主要局部。一个电源级、一个通讯模块RS-232和一个RPM及电流测量级。电源级包括提供BDC电机双向控制的全H桥。PIC16F684通过RC2、RC3、RC4和RC5引脚连接到H桥。从RA5引脚通过一个RS-232端口可以将有关PWM占空比、单片机振荡器速率、电机RPM和电流值等指令和信息发送给计算机。固然实际消费出来的设备很可能并没有这样一个通讯接口，但在开发阶段这样一个通讯接口非常有用。在实际产品中，RA5可以被赋予不同的用处，如点亮状态指示LED或读取电位计输入。通过测量电机的反向EMF电压，不需额外传感器即可以获得电机转速RPM。电机转速与反向EMF电压直接成正比。BDC电机是一种感性负载。电机上感生的电压即是电机电感乘以dI/dt。将对应FET关断OFF即可以测量反向EMF电压。这会产生一个反方向流过电机的电流。PIC16F684中的ADC模块可以测量出EMF电压。通过测量MOSFETs、QB和QD,以及地之间电流检测电阻上的高端电压可以获得电流值。选择适当的电阻值时需要考虑最大电流和功耗。PWM信号驱动BDC电机。H桥电路仅在PWM信号处于高电平时才吸收电流。采用一个采样和平均算法在多个PWM周期测量结果的根底上算出电流值和电机转速。对低本钱高能效BDC电机解决方案感兴趣的Microchip公司主要客户对于PIC16F684外设的定义做出很大奉献。目前，Microchip正与几大设备消费商合作，他们迫切希望将现有BDC电机控制电路更换为更为智能和先进的单片机解决方案。