小功率永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感控制器

一、序言

在傳統(tǒng)的交流矢量變換控制系統(tǒng)中，速度傳感器是必不可少的。對(duì)于普通的交流電機(jī)，速度傳感器的作用有三：其一是獲得速度反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制；其二是與轉(zhuǎn)差角頻率相加得到定子電流角頻率給定值，進(jìn)行頻率控制；其三是在低速范圍用電流模型觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁通，進(jìn)行磁場(chǎng)定向控制。若實(shí)現(xiàn)PMSM的矢量控制，使定子電流的方向與永磁體產(chǎn)生的磁通方向在空間正交，還需要位置傳感器，以確定轉(zhuǎn)子磁極位置，依據(jù)位置信息，通過(guò)控制電路，以正確相位和相序，向三相定子繞組供電，通過(guò)交變的定子電流產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。電機(jī)速度和磁極位置的檢測(cè)，多數(shù)采用光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械傳感器，在實(shí)際應(yīng)用中，存在以下幾個(gè)問(wèn)題:

（一）高精度速度傳感器的價(jià)格昂貴，對(duì)一些小容量設(shè)各，顯著增加了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本(包括傳感器和電子線路)。

（二）速度傳感器安裝困難，存在同心度問(wèn)題，只有在特殊加工的電機(jī)中，該問(wèn)題才能得到較為滿意的解決，而在一般電機(jī)中，由于安裝存在的問(wèn)題，速度傳感器常成為系統(tǒng)的故障源，使系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性大為降低，也給維護(hù)帶來(lái)了困難。

（三）速度信號(hào)的傳遞受距離的限制，如果距離長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)許多干擾信號(hào)，因此只限于一些性能很高的場(chǎng)合，這就大大限制了應(yīng)用范圍:

（四）在選用變頻器時(shí)必須顧及速度傳感器的參數(shù)，使其匹配，互換性差;

（五）在惡劣環(huán)境中，由于多數(shù)傳感器內(nèi)部及輸出信號(hào)都為弱電平，抗電磁干擾的能力較差，溫度、濕度、振動(dòng)等的影響會(huì)造成傳感器的性能小穩(wěn)定，制約檢測(cè)的精確度。如果采用旋轉(zhuǎn)變壓器，經(jīng)信號(hào)處理得到速度和磁極位置信息，解調(diào)過(guò)程較復(fù)雜，增加了硬、軟件的復(fù)雜性和控制策略的難度:

（六）所有的傳感器對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸都會(huì)產(chǎn)生一定程度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)摩擦，同時(shí)附加于電機(jī)軸上一定慣性。

以第三代永磁材料-釹鐵硼(NdFeB)造出來(lái)的永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)具有體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國(guó)防和日常生活中得到日益廣泛應(yīng)用，同時(shí)我國(guó)稀土資源豐富，因此研究和開(kāi)發(fā)高效稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，變稀土資源出口為高附加值的稀土永磁電機(jī)產(chǎn)品出口，能夠促進(jìn)電機(jī)行業(yè)、風(fēng)機(jī)水泵行業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和更新?lián)Q代，從而創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此永磁同步電機(jī)控制器的研究與開(kāi)發(fā)具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

二、實(shí)現(xiàn)方法

AVR單片機(jī)介紹和IRMCF341芯片

本方案擬采用ATMEL公司的ATmega64單片機(jī)和IRMCF341這種高性能家電用無(wú)傳感器正弦波電機(jī)控制IC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ATmega64：

高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)、賴以生存的必要條件。

早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。以后的 CMOS單片機(jī)雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)(RISC)問(wèn)世,但依然沿襲對(duì)時(shí)鐘分頻的作法。

AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。

Atmel公司在1997年研發(fā)的采用哈弗結(jié)構(gòu)的RISC單片機(jī)AVR吸取了PIC及8051等系列的單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上還做了一些重大的改進(jìn)。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

內(nèi)嵌高質(zhì)量的FLASH程序存儲(chǔ)器，可反復(fù)擦寫(xiě)，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、更新，內(nèi)嵌長(zhǎng)壽命的EEPROM，可長(zhǎng)期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也能更有效的支持使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)程序。

高速度、低功耗，具有SLEEP功能。AVR的一條指令執(zhí)行周期可達(dá)50ns，而耗電則在1uA~2.5mA之間。AVR采用Harvard結(jié)構(gòu)，以及一級(jí)流水線的預(yù)取指令功能，即對(duì)程序的讀取和數(shù)據(jù)的操作使用不同的數(shù)據(jù)總線，因此，當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被執(zhí)行。

外設(shè)豐富。AVR單片機(jī)包含的外設(shè)有SPI、EEPROM、RTC、看門狗定時(shí)器、ADC、PWN和片內(nèi)振蕩器等，可以真正做到單片。

抗干擾性好。有看門狗定時(shí)器（WDT）安全保護(hù)，可防止程序走飛，提高產(chǎn)品的抗干擾性。此外，電源抗干擾能錄也很強(qiáng)。

高度保密。可多次燒寫(xiě)的FLASH具有多重密碼保護(hù)鎖定（LOCK）功能，因此可低價(jià)快速完成商品化，且可多次更改程序（產(chǎn)品升級(jí)），方便了系統(tǒng)調(diào)試，而且不必浪費(fèi)IC或電路板，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力。

驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。具有大電流：10~20mA（輸出電流）或40mA（吸電流），可直接驅(qū)動(dòng)LED、SSR或繼電器。

低功耗。具有六種休眠功能，能夠從低功耗模式迅速喚醒。

超功能精簡(jiǎn)指令。具有32個(gè)通用工作寄存器（相當(dāng)于8051的32個(gè)累加器），克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象。

中斷向量豐富。具有34個(gè)中斷源，不同中斷向量入口地址不一樣，可快速響應(yīng)中斷。

可靠性高。AVR單片機(jī)內(nèi)部有電源上電啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)系統(tǒng)RESSET復(fù)位上電后，利用內(nèi)部的RC看門狗定時(shí)器，可延遲MCU在系統(tǒng)電源、外部電路達(dá)到穩(wěn)定后再正式開(kāi)始執(zhí)行程序，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，同時(shí)也可節(jié)省外加的復(fù)位延時(shí)電路。此外，內(nèi)置的電源上電復(fù)位（POR）和電源掉點(diǎn)檢測(cè)（BOD），也有效提高了單片機(jī)的可靠性。