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dsPIC30F 在 无 传 感 器 BLDC 控 制 中 的 应 用
AN901
著 者 :
合 著 者 :
引 言
本 应 用 笔 记 描 述 了 一 种 完 全 可 行 且 高 度 灵 活 的 软 件 应
用 , 使 用 dsPIC30F 来 控 制 无 传 感 器 无 刷 直 流
(brushless DC,BLDC) 电 机 。 此 软 件 将 dsPIC30F 外
设 广 泛 应 用 于 电 机 控 制 。 所 实 现 的 无 传 感 器 控 制 算 法 特
别 适 用 于 风 扇 和 泵 。 程 序 使 用 C 语 言 编 写 , 经 过 特 别 优
化 , 并 附 有 详 细 的 注 释 以 便 于 理 解 和 程 序 修 改 。
软 件 特 点
Charlie Elliott
Smart Power Solutions, LLP
Steve Bowling
Microchip Technology Inc.
• 采 用 反 电 动 势 过 零 检 测 程 序 , 无 需 使 用 位 置 传 感 元
件 。
• 应 用 程 序 包 含 可 调 节 参 数 和 两 种 可 选 的 起 动 方 法 以
适 应 特 定 负 载 。
• 可 检 测 无 传 感 器 算 法 是 否 失 效 。
• 可 重 新 起 动 无 传 感 器 控 制 而 无 需 停 止 电 机 。
• 可 控 制 放 电 电 流 以 调 节 DC 母 线 电 压 。
• 换 相 方 案 支 持 随 速 度 增 加 而 线 性 引 入 达 30° 的 相
位 超 前 , 进 而 获 得 更 高 的 电 机 效 率 和 更 宽 的 速 度 范
围 。
• 四 种 不 同 方 式 来 控 制 电 机 速 度 。
• 简 单 的 用 户 界 面 , 带 LCD 显 示 , 可 通 过 按 钮 调 节 超
过 40 项 参 数 。
• 软 件 大 约 占 用 5 MIPS( 最 大 ), 需 要 大 约 16KB 的
程 序 存 储 空 间 。
• 不 包 含 用 户 界 面 和 调 试 代 码 时 , 应 用 代 码 可 以 装 入
不 到 12 KB 的 程 序 存 储 器 中 , 可 与 已 设 计 的 最 小
存 储 器 dsPIC30F 器 件 (dsPIC30F2010) 兼 容 。
已 知 限 制
• 使 用 时 , 无 传 感 器 系 统 能 可 靠 工 作 的 最 大 输 出 频 率
大 约 为 150 Hz。 但 是 , 这 一 限 制 可 以 让 很 常 见 的
4 极 电 机 的 最 高 运 转 速 度 达 到 4500 RPM。
• 如 果 使 用 相 位 超 前 , 输 出 频 率 最 高 可 达 250 Hz(4
极 电 机 可 达 7500 RPM)。 通 过 修 改 软 件 , 可 达 到
更 高 速 度 。
• 支 持 对 角 逆 变 器 开 关 器 件 的 硬 调 制 。
• 系 统 支 持 在 闭 环 换 相 模 式 下 运 行 , 通 常 风 扇 和 泵 都
需 要 这 种 支 持 。
背 景 知 识
无 刷 直 流 (BLDC) 电 机 体 积 小 、 可 控 制 且 效 率 高 , 因
此 在 消 费 和 工 业 应 用 中 得 以 采 用 。 这 种 电 机 还 越 来 越 多
地 被 应 用 于 汽 车 应 用 中 , 以 避 免 使 用 皮 带 和 液 压 传 动 系
统 , 并 提 供 更 多 功 能 和 改 善 燃 料 利 用 率 。 BLDC 电 机 控
制 所 需 磁 性 元 件 和 电 子 元 器 件 成 本 的 不 断 降 低 使 得 无 刷
直 流 电 机 的 应 用 越 来 越 广 泛 , 同 时 还 被 用 于 更 高 的 功 率
级 别 。
由 于 电 励 磁 必 须 与 转 子 位 置 同 步 ,BLDC 电 机 运 行 时 通
常 带 有 一 个 或 多 个 转 子 位 置 传 感 器 。 由 于 成 本 、 可 靠 性
以 及 机 械 装 配 等 因 素 , 尤 其 是 当 转 子 浸 没 在 液 体 中 运 行
时 , 要 求 电 机 不 带 位 置 传 感 器 运 行 ( 即 所 谓 的 无 传 感
器 运 行 )。
本 文 假 设 读 者 已 经 熟 悉 了 带 有 位 置 传 感 器 的 BLDC 的 工
作 原 理 , 因 此 不 再 详 细 阐 述 该 技 术 。Microchip 应 用 笔
记 AN857 中 对 BLDC 电 机 控 制 进 行 了 非 常 有 用 的 介 绍 。
在 参 考 书 目 列 出 的 书 籍 中 可 以 找 到 其 他 相 关 内 容 。 需 要
注 意 的 是 , 本 文 讲 述 的 无 传 感 器 方 案 是 AN857 所 述 的
更 高 级 形 式 。 最 后 应 该 指 出 , 本 文 中 所 有 论 述 以 及 应 用
软 件 均 假 定 使 用 三 相 电 机 。
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AN901
BLDC 电 机 换 相 的 无 传 感 器 技 术
本 文 讨 论 的 方 法 仅 适 用 于 标 准 结 构 的 三 相 电 机 ( 不 含 搜
索 线 圈 或 不 对 称 设 计 ) 。 另 外 , 本 文 还 假 定 采 用 常 规
120° 通 电 方 式 , 这 样 在 一 些 时 间 段 会 出 现 某 相 上 电 流
为 零 、 不 通 电 的 现 象 。 为 使 电 机 运 行 , 必 须 按 照 周 期 性
间 隔 切 换 通 电 的 相 ( 即 换 相 )。
要 使 电 机 正 确 换 相 , 必 须 测 量 电 周 期 中 的 绝 对 位 置 。 对
于 常 规 通 电 , 每 个 电 周 期 需 要 六 次 等 距 换 相 。 这 通 常 是
通 过 三 个 霍 尔 效 应 开 关 或 光 学 开 关 ( 转 子 上 要 有 相 应 的
圆 盘 ) 实 现 的 。 并 不 需 要 连 续 的 位 置 信 息 , 只 要 检 测 所
需 换 相 情 况 即 可 。 图 1 给 出 了 三 个 传 感 器 的 输 出 和 每 相
的 相 应 反 电 动 势 (Back EMF, BEMF) 电 压 波 形 。
图 1:
HALL R
HALL Y
HALL B
BLDC 换 相 图
60 o
导 通 Q3,Q5Q1,Q5Q1,Q6Q2,Q6Q2,Q4Q3,Q4Q3,Q5Q1,Q5Q1,Q6
霍 尔 状 态 5 4 6 2 3 1 5 4 6
RYB
要 通 过 监 测 电 机 的 某 项 特 性 来 检 测 转 子 位 置 , 显 然 该 特
性 必 须 随 位 置 发 生 变 化 。 此 外 , 理 想 的 情 况 是 该 特 性 能
在 电 周 期 中 建 立 唯 一 的 位 置 , 这 将 增 强 无 传 感 器 技 术 的
鲁 棒 性 。 相 磁 通 链 随 位 置 发 生 的 变 化 会 产 生 转 矩 。 这 种
效 应 可 以 从 磁 阻 和 BEMF 两 方 面 进 行 考 虑 , 这 两 者 不 但
随 电 流 变 化 , 而 且 随 位 置 变 化 。 BEMF 还 随 速 度 线 性 变
化 。 可 以 直 接 监 测 磁 阻 或 BEMF 的 变 化 , 也 可 以 监 测 它
们 对 间 接 量 的 影 响 。
磁 阻 变 化 方 法
如 公 式 1 的 磁 欧 姆 定 律 所 示 , 磁 阻 是 电 阻 的 磁 当 量 :
公 式 1:
磁 欧 姆 定 律
R =
-------------
MMF
Φ
在 此 公 式 中 :
R = 磁 阻
MMF = 磁 动 势
Φ = 磁 通 量
磁 阻 表 示 磁 通 流 经 由 钢 、 气 隙 和 磁 体 组 成 的 磁 路 的 难 易
程 度 。 磁 体 是 非 常 好 的 磁 通 源 , 相 当 于 电 流 源 。 相 绕 组
是 良 好 的 MMF 源 , 相 当 于 电 压 源 。 在 低 磁 负 载 时 , 钢
的 磁 阻 很 小 , 并 处 于 磁 不 饱 和 状 态 。 在 高 磁 负 载 ( 一 般
为 >1.5 T) 下 , 钢 的 磁 阻 会 随 磁 饱 和 的 开 始 迅 速 增 加 。
空 气 具 有 非 常 高 的 磁 阻 , 它 与 磁 负 载 无 关 。 磁 性 材 料 也
有 相 似 的 特 性 。
磁 阻 随 位 置 而 变 化 , 因 此 可 以 作 为 无 传 感 器 运 行 的 基
础 。 在 所 有 BLDC 电 机 中 , 磁 阻 随 角 度 也 会 发 生 某 些 变
化 。 从 电 机 来 看 , 磁 阻 的 变 化 与 电 感 的 变 化 一 样 明 显 。
磁 阻 变 化 有 明 显 的 优 点 , 因 为 在 零 速 度 下 可 以 检 测 到 。
但 是 , 需 要 先 了 解 要 控 制 电 机 的 L(i,θ) 特 性 。
不 幸 的 是 , 对 于 很 多 BLDC 电 机 , 磁 阻 随 位 置 的 变 化 太
小 , 无 法 可 靠 地 进 行 测 量 。 尤 其 是 对 于 表 面 安 装 了 磁 体
的 电 机 , 其 有 效 气 隙 很 大 , 所 以 此 特 性 在 这 类 电 机 上 表
现 得 尤 为 明 显 。 因 此 , 磁 阻 的 主 要 部 分 是 不 变 的 , 这 使
随 位 置 发 生 的 剩 余 变 化 很 难 测 量 。 在 专 门 设 计 为 低 转 矩
脉 动 的 电 机 中 , 磁 阻 变 化 也 会 较 小 , 因 为 变 化 的 磁 阻 会
产 生 多 余 的 转 矩 。 隐 磁 或 内 磁 电 机 的 磁 阻 随 角 度 变 化 很
大 , 但 是 它 们 一 般 用 正 弦 电 压 通 电 , 因 此 这 里 不 再 讨
论 。
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BEMF 法
电 机 的 BEMF 波 形 随 位 置 和 速 度 变 化 。 因 此 不 可 能 在 零
速 度 和 低 速 时 用 BEMF 检 测 位 置 。 但 是 , 有 很 多 应 用
( 例 如 风 扇 和 泵 ) 在 低 速 时 不 需 要 位 置 控 制 或 闭 环 运
行 。 对 于 这 些 应 用 , BEMF 法 就 很 适 合 。 有 很 多 使 用
BEMF 的 方 法 , 主 要 方 法 可 以 归 纳 如 下 :
• 电 机 端 电 压 检 测
- 通 过 直 接 测 量 或 推 算 ( 开 关 状 态 和 DC 母 线
电 压 已 知 )。
• 中 点 电 压 检 测
- 只 适 用 于 具 有 特 殊 BEMF 特 性 的 Y 型 连 接 电
机 。
- 实 际 上 不 需 要 第 4 根 线 。 使 用 电 阻 网 络 和 差
分 操 作 , 可 以 重 新 建 立 星 型 连 接 中 心 点 。
• 母 线 电 流 梯 度 检 测
- 因 为 换 相 随 转 子 超 前 或 滞 后 而 发 生 变 化 , 因 此
取 决 于 特 定 母 线 电 流 的 形 状 。
- 无 法 使 用 快 速 母 线 电 流 控 制 。
磁 通 链 变 化 法
检 测 磁 通 链 随 位 置 的 变 化 可 以 有 效 地 综 合 利 用 磁 阻 法 和
BEMF 法 。 公 式 2 给 出 了 相 电 压 :
选 择 所 谓 的 BEMF “ 过 零 检 测 ” 技 术 是 因 为 :
• 它 适 用 于 多 种 电 机 。
• 理 论 上 ,Y 型 连 接 和 ∆ 型 连 接 的 三 相 电 机 都 可 以 使
用 它 。 某 些 类 别 的 ∆ 型 连 接 电 机 可 能 无 法 应 用 这
种 技 术 。
• 不 需 要 详 细 了 解 电 机 特 性 。
• 对 电 机 制 造 容 许 公 差 要 求 不 太 严 格 。
• 它 对 电 压 控 制 或 电 流 控 制 都 有 效 。
过 零 检 测 技 术 适 用 于 速 度 接 近 零 时 不 需 要 闭 环 操 作 的 多
种 应 用 , 它 尤 其 适 合 在 风 扇 和 泵 中 的 应 用 。
假 设 速 度 大 于 零 , 则 每 个 电 周 期 中 某 相 的 BEMF 为 零 的
位 置 只 有 两 个 , 可 以 通 过 图 2 中 所 示 通 过 过 零 点 时
BEMF 的 斜 率 来 区 分 这 些 位 置 。
每 一 段 对 应 电 周 期 中 的 一 个 60° 部 分 ( 共 有 六 个 相 等
的 60° 部 分 )。( 段 的 编 号 完 全 任 意 , 但 要 与 整 个 软 件
中 使 用 的 编 号 匹 配 。) 换 相 发 生 在 每 一 段 的 边 界 处 。 因
此 , 需 要 检 测 段 的 边 界 。BEMF 过 零 点 和 需 要 换 相 的 位
置 之 间 有 30° 的 偏 移 , 必 须 对 其 进 行 补 偿 , 以 确 保 电 机
平 稳 高 效 运 转 。
图 2:
30Þ
过 零 检 测
公 式 2:
BEMF 相 电 压
VPH = iR + ( dΨ) ⁄ ( dt)
0
此 方 法 对 方 波 或 正 弦 波 通 电 提 供 了 从 零 速 度 起 动 的 无 缝
运 行 能 力 。 需 要 使 用 闭 环 观 测 器 , 以 通 过 所 加 电 压 和 所
测 相 电 流 的 开 环 积 分 来 正 确 确 定 位 置 , 这 需 要 预 先 详 细
了 解 电 机 的 ψ(i,θ) 特 性 和 有 效 处 理 能 力 。
所 选 无 传 感 器 技 术 的 实 现
具 体 的 实 现 方 法 基 于 检 测 不 通 电 相 的 BEMF 为 零 时 的 情
况 。 除 了 可 选 的 母 线 电 流 检 测 信 号 放 大 以 及 功 率 开 关 门
驱 动 电 路 外 , 采 用 dsPIC30F 单 芯 片 实 现 提 供 所 有 的 控
制 功 能 。
0
0
SECTOR
5 0 1 2 3 4 5 0 1
= BEMF 过 零 点
图 2 还 给 出 了 理 想 情 况 下 的 各 相 BEMF 波 形 。 假 定 只 有
三 个 电 机 引 线 可 以 用 于 检 测 BEMF, 则 必 须 确 定 电 机 星
型 连 接 中 心 点 的 电 压 , 因 为 BEMF 波 形 将 被 该 星 型 连 接
中 心 点 的 电 压 抵 消 。
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对 于 ∆ 型 连 接 的 电 机 , 操 作 方 法 有 所 不 同 , 将 在 附 录 D
中 进 行 探 讨 。
前 面 讲 过 , 在 任 一 时 刻 只 有 两 相 是 通 电 的 , 且 流 经 这 两
相 的 电 流 方 向 相 反 , 图 3 说 明 Y 相 用 于 BEMF 检 测 时 的
情 况 。
图 3:
VDC
Q1
Q4
BEMF 检 测 硬 件 示 例
z
=
R
Q3
B
Q6
当 R 相 内 流 经 正 向 电 流 ( 定 义 为 流 向 星 型 连 接 中 心 点 的
电 流 )、B 相 内 流 经 负 向 电 流 时 ,Q1 和 Q6 将 受 到 控 制 ,
这 与 前 面 图 ( 图 2) 中 的 段 1 对 应 。 假 设 通 电 相 的 两 端
总 是 对 称 地 分 别 连 接 到 DC 电 源 的 两 个 轨 上 , 则 星 型 连
接 中 心 点 的 电 压 总 是 ½ VDC, 与 加 在 这 两 个 通 电 相 绕 组
上 的 电 压 极 性 无 关 。 但 是 , 只 有 在 每 相 的 R、L 和 BEMF
都 相 同 , 且 每 相 的 开 关 和 二 极 管 压 降 都 相 等 的 情 况 下 ,
星 型 连 接 中 心 点 的 电 压 值 才 为 ½ VDC。 假 设 现 在 的 情 况
就 是 这 样 , 因 此 BEMF 过 零 点 将 被 偏 置 为 ½ VDC, 这 很
容 易 估 计 到 。
以 最 简 单 的 形 式 ,BEMF 过 零 检 测 方 法 可 以 这 样 实 现 :
• 通 过 分 压 器 和 A/D 转 换 器 来 监 测 所 有 三 相 的 端 电 压
和 VDC。
• 在 相 应 的 时 间 段 内 检 测 相 BEMF 何 时 经 过 ½VDC。
对 于 某 个 特 定 的 时 间 段 , 只 需 监 测 一 相 的 电 压 。
• 使 用 一 个 可 用 的 定 时 器 测 量 60° ( 即 两 次 过 零 点
之 间 ) 的 时 间 。 将 这 个 值 除 以 2, 然 后 加 载 到 另 一
个 定 时 器 中 , 这 样 就 可 以 取 消 正 确 换 相 所 需 的 隐 含
30° 补 偿 。
z
z
Y
z
实 际 上 , 尽 管 所 测 的 BEMF 波 形 受 下 面 几 个 次 级 效 应 的
影 响 , 实 际 上 也 不 会 复 杂 多 少 :
• 通 电 结 束 时 , 相 绕 组 去 磁 会 导 致 其 一 端 被 感 应 并 钳
位 到 其 中 一 个 DC 母 线 电 压 , 因 为 存 储 在 绕 组 中 的
能 量 会 通 过 反 向 二 极 管 回 流 到 电 源 。 必 须 注 意 , 反
向 二 极 管 的 作 用 不 要 造 成 错 误 的 过 零 点 。
• 由 于 PWM 作 用 使 得 导 通 相 之 间 产 生 互 耦 , 导 致
“ 噪 声 ” 被 叠 加 到 BEMF 上 。 噪 声 往 往 会 在 过 零
位 置 处 降 到 最 小 。
• 星 型 连 接 中 心 点 处 的 电 压 偏 离 ½ VDC。
- 如 果 PWM 周 期 的 某 段 时 间 内 相 电 流 为 零 , 则
通 电 相 的 输 出 端 就 会 变 为 悬 空 状 态 。 通 常 将 一
个 周 期 中 某 段 时 间 内 相 电 流 为 零 的 这 种 影 响 称
为 不 连 续 电 流 。
- 对 于 大 多 数 系 统 来 说 , 高 端 和 低 端 器 件 之 间 开
关 / 二 极 管 压 降 的 不 同 , 并 不 会 导 致 明 显 的 问
题 。 对 于 某 些 特 殊 的 系 统 , 会 导 致 正 向 与 负 向
电 流 区 的 通 电 宽 度 有 较 小 的 不 平 衡 。
- 非 梯 形 的 BEMF 意 味 着 星 型 连 接 中 心 点 电 压
有 所 偏 离 , 这 是 因 为 两 个 通 电 相 的 BEMF 不
相 等 , 幅 度 一 大 一 小 。 大 部 分 BLDC 电 机 的
BEMF 波 形 都 介 于 梯 形 和 正 弦 之 间 。 实 际 上 ,
这 一 特 性 不 会 引 起 问 题 , 因 为 它 只 会 改 变 所 监
测 BEMF 在 过 零 点 位 置 的 斜 率 。
在 软 件 中 舍 弃 换 相 后 的 最 开 始 几 个 BEMF 采 样 点 , 很 容
易 避 开 相 绕 组 的 去 磁 问 题 。 不 对 BEMF 波 形 用 硬 件 进 行
明 显 滤 波 , 并 且 根 据 PWM 波 形 仔 细 地 选 取 信 号 采 样 点 ,
可 排 除 互 耦 PWM “ 噪 声 ” 和 不 连 续 电 流 问 题 。 在 开 关
关 闭 之 前 , 使 用 电 机 控 制 PWM 模 块 的 特 殊 事 件 触 发 器
来 启 动 A/D 信 号 转 换 。
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应 用 软 件
开 发 环 境 采 用 MPLAB ® 6.40, 并 用 Microchip C30
optimizing compiler (v1.10.02) 进 行 编 译 。 采 用 MPLAB
ICD 2 进 行 调 试 和 编 程 。 开 发 所 使 用 的 电 机 为 Hurst
Manufacturing NT Dynamo 标 准 产 品 系 列 。
大 部 分 代 码 用 C 编 写 , 为 提 高 效 率 和 增 强 功 能 , 必 要 时
使 用 了 嵌 入 汇 编 器 。 表 1 描 述 了 这 16 个 源 代 码 文 件 的
内 容 和 功 能 。
硬 件 资 源
如 前 所 述 , 在 启 用 了 编 译 器 1 级 优 化 时 , 代 码 将 占 用
15,594 字 节 的 程 序 存 储 空 间 。 这 包 括 用 户 界 面 代 码 以 及
存 储 在 程 序 空 间 中 的 一 些 常 量 。 你 可 能 会 想 在 最 终 的 应
用 程 序 中 删 除 用 户 界 面 代 码 。 删 除 用 户 界 面 代 码 后 , 最
小 的 dsPIC ® 器 件 也 很 容 易 满 足 应 用 程 序 所 占 用 的 存 储
空 间 。
应 用 程 序 需 要 276 字 节 的 数 据 存 储 器 。 其 余 的 器 件 存 储
空 间 可 用 于 软 件 堆 栈 的 动 态 存 储 。
如 前 所 述 , 应 用 程 序 会 分 配 两 行 (64 个 程 序 存 储 单 元 )
的 器 件 程 序 存 储 空 间 作 为 软 件 参 数 的 非 易 失 性 存 储 空
间 。 应 用 程 序 中 总 共 有 45 个 参 数 。
该 软 件 是 为 7.38 MIPS 速 度 的 CPU 编 写 的 。 在 dsPIC
器 件 上 使 用 4X PLL, 并 使 用 7.38 MHz 晶 振 或 外 部 时 钟
源 , 可 达 到 这 一 运 行 速 度 。 该 软 件 要 求 5 MIPS 的 最 大
执 行 速 度 , 所 以 大 量 的 CPU 带 宽 可 用 于 其 它 应 用 任 务 。
可 以 通 过 修 改 defs.h 文 件 中 的 常 量 值 来 修 改 软 件 , 从 而
实 现 在 更 高 的 CPU 速 度 下 运 行 。
尽 管 源 代 码 有 详 尽 的 注 释 , 但 特 定 于 电 机 控 制 的 主 要 程
序 还 将 在 附 录 C 的 流 程 图 中 进 行 说 明 。 表 2 说 明 使 用 了
哪 些 dsPIC30F 外 设 及 其 用 途 。
表 1: 源 代 码 文 件
文 件 名 文 件 用 途 所 包 含 函 数
defs.h
# 定 义 整 个 软 件 中 使 用 的 宏 值
extern_globals.h 全 局 变 量 的 外 部 声 明
flash_routines.c 用 于 擦 写 闪 存 程 序 存 储 器 的 低 级 程 序 erase_flash_row
program_flash
globals.h
全 局 变 量 声 明
hardware.h
# 定 义 特 定 于 dsPIC30F 电 机 控 制 开 发 PCB 的 宏
inline_fns.h
头 文 件 , 包 含 可 以 提 高 效 率 的 嵌 入 编 译 函 数 , 这 些 函 数 由
ADC ISR 调 用
check_zero_crossing
current_control
acquire_position
ISRs.c 所 有 中 断 服 务 程 序 以 及 所 有 陷 阱 服 务 程 序 AddressError
StackError
MathError
PWMInterrupt
FLTAInterrupt
ADCInterrupt
T1Interrupt
T2Interrupt
T3Interrupt
lcd_drivers.c 访 问 2x16 LCD 显 示 器 的 低 级 程 序 太 多 因 此 无 法 一 一 列 出 各
个 程 序
lcd_messages.h 用 于 LCD 显 示 器 上 显 示 消 息 的 字 符 串 常 量
main.c 初 始 化 以 及 后 台 代 码 main
medium_event.c
中 等 事 件 速 率 处 理 程 序 本 身 和 由 它 调 用 的 所 有 代 码 ( 除 了
user_interface 中 包 含 的 代 码 )。 中 等 事 件 处 理 程 序 每 10ms 执
行 一 次 。
medium_event_handler
speed_loop
voltage_control
starting_code
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表 1: 源 代 码 文 件 ( 续 )
文 件 名 文 件 用 途 所 包 含 函 数
parameters.h
所 有 用 户 参 数 缺 省 值 和 关 于 最 大 值 、 最 小 值 、 递 增 率 以 及 编 辑
字 符 串 的 细 节
setup.c 在 初 始 化 过 程 中 调 用 的 所 有 外 设 的 设 置 代 码 setup_ports
setup_motor_pwms
setup_adc
setup_qei
setup_timers
WriteConfig
slow_event.c
只 有 缓 慢 事 件 处 理 程 序 。 虽 然 用 户 界 面 函 数 从 该 处 理 程 序 调 slow_event_handler
用 , 但 其 代 码 是 独 立 的 。 缓 慢 事 件 处 理 程 序 每 100ms 执 行 一
次 。
user_interface.c 通 过 LCD 显 示 和 按 钮 开 关 实 现 用 户 界 面 的 各 种 程 序 。 screen_handler
process_switches
save_parameter
process_parameters
debounce_switches
edit_screen
uint_to_string
nibble_to_hex
run_screen
xlcd.h
# 定 义 供 lcd_drivers 使 用 的 宏
表 2:
dsPIC30F 外 设 的 用 途
dsPIC30F 外 设
功 能 和 配 置
电 机 控 制 PWM 模 块 用 对 角 开 关 的 16 kHz PWM 调 制 来 驱 动 三 相 逆 变 器 。 输 出 配 置 为 独 立 模 式 ,
而 且 特 殊 事 件 触 发 器 用 于 在 开 关 关 闭 之 前 启 动 A/D 转 换 。
高 速 10 位 A/D 转 换 器
用 来 在 每 个 PWM 周 期 中 同 时 对 母 线 电 流 、 母 线 电 压 、 速 度 给 定 和 相 电 压
( 三 相 中 的 一 相 ) 4 个 信 号 进 行 采 样 。 采 样 与 PWM 模 块 同 步 。
正 交 编 码 器 接 口 (Quadrature Encoder 禁 止 输 入 , 但 定 时 器 用 于 16 位 自 由 模 式 , 以 提 供 过 零 检 测 的 时 间 标 记 。
Interface, QEI)
TIMER2 用 于 16 位 模 式 , 以 提 供 过 零 点 事 件 和 期 望 换 相 时 间 之 间 的 延 迟 。
TIMER3
用 来 提 供 放 电 斩 波 器 开 关 的 PWM。
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硬 件
开 发 出 的 应 用 程 序 要 在 dsPICDEM MC1 电 机 控 制 开 发
板 以 及 dsPICDEM MC1L 三 相 低 电 压 功 率 模 块 或
dsPICDEM MC1H 三 相 高 电 压 功 率 模 块 上 运 行 。 控 制 板
或 功 率 模 块 系 统 的 照 片 参 见 图 4。
图 4:
控 制 板 / 功 率 模 块 系 统
这 些 开 发 工 具 可 以 从 Microchip 获 得 ( 详 情 请 登 录
Microchip 网 站 查 询 )。 或 者 , 你 也 可 以 自 己 设 计 硬 件 ,
但 需 要 对 软 件 做 一 些 更 改 。
在 使 用 dsPICDEM 开 发 工 具 时 , 需 要 对 PCB 上 的 跳 线
做 一 些 改 动 。 这 些 修 改 可 参 见 “ 对 功 率 模 块 的 改 动 ” 和
“ 对 电 机 控 制 开 发 板 的 改 动 ”。
下 面 的 框 图 ( 图 5) 给 出 了 电 机 控 制 的 简 化 硬 件 结 构 。
为 清 晰 起 见 , 这 里 省 略 了 LCD 接 口 和 按 钮 。
图 5:
dsPIC30F6010
PWM3H
PWM3L
PWM2H
PWM2L
PWM1H
PWM1L
FLTA
AN0
AN1
AN2
硬 件 框 图
AN12
AN13
AN14
给 定
Fault
VDC
相 电 压 反 馈
三 相
逆 变 器
IBUS
BLDC
准 备
对 功 率 模 块 的 改 动
为 从 功 率 模 块 获 得 所 需 的 反 馈 信 号 , 必 须 对 其 做 一 些 改
动 。 改 动 要 使 相 电 压 (x3)、 VDC 和 母 线 电 流 反 馈 信 号
反 馈 至 控 制 板 上 的 dsPIC30F, 这 样 会 使 强 、 弱 电 之 间
的 隔 离 失 去 作 用 , 这 一 点 需 要 注 意 。 按 照 以 下 步 骤 进 行
修 改 :
1. 按 照 功 率 模 块 的 用 户 手 册 所 述 去 除 盖 子 。
2. 把 低 阻 值 电 阻 (47R 或 更 低 ) 焊 接 到 LK22、
LK24-26 及 LK30 上 。
3. 如 果 采 用 的 是 高 压 模 块 , 为 了 在 非 隔 离 的 模 式 下
修 改 以 及 使 用 系 统 , 请 严 格 遵 循 其 它 步 骤 。 这 包
括 在 J5 和 J13 之 间 焊 接 一 条 地 线 , 这 条 地 线 上
流 过 的 电 流 值 要 适 当 。
注 :
4. 根 据 电 机 的 目 标 用 途 , 设 置 跳 线 LK11-12 的 电 流
反 馈 比 例 。 跳 线 LK11-12 按 比 例 缩 小 母 线 电 流 反
馈 信 号 。 如 果 有 问 题 , 可 以 去 除 LK11-12, 这 样
可 以 提 供 最 佳 的 保 护 和 最 高 的 增 益 反 馈 。
5. 如 果 功 率 模 块 工 作 在 低 于 最 大 母 线 电 压 额 定 值
50% 的 情 况 下 , 建 议 减 小 电 压 反 馈 比 例 , 以 获 得
更 高 的 反 馈 电 压 。 可 通 过 改 变 R10、R13 和 R14
的 值 来 改 变 VDC 反 馈 电 压 , 通 过 改 变 R16- R21
的 值 来 改 变 VPH 反 馈 电 压 , 这 些 改 动 是 在 印 刷 电
路 板 上 方 进 行 的 , 不 需 要 拆 卸 功 率 模 块 。 详 情 可
查 阅 功 率 模 块 的 用 户 手 册 和 原 理 图 。
注 : 为 获 得 正 确 的 无 传 感 器 操 作 , 相 电 压
和 DC 母 线 电 压 的 反 馈 比 例 必 须 匹 配 。
连 接 电 机
为 了 针 对 此 应 用 进 行 修 改 , 必 定 会 使
高 压 功 率 模 块 的 电 气 隔 离 失 去 作 用 。
务 必 要 保 证 系 统 接 地 , 并 在 主 电 源 和
功 率 模 块 输 入 之 间 采 用 一 个 安 全 隔 离
变 压 器 。
应 该 按 照 正 常 的 方 式 连 接 电 机 的 3 根 引 线 和 地 线 , 引 线
和 地 线 的 规 格 要 根 据 电 流 额 定 值 适 当 选 择 。 无 传 感 器 系
统 的 一 个 优 点 在 于 电 机 引 线 的 相 序 并 不 重 要 , 因 为 它 仅
定 义 哪 个 方 向 是 正 向 的 。 如 果 有 合 适 的 位 置 反 馈 器 件 ,
可 将 其 用 于 诊 断 。
功 率 模 块 包 括 三 相 逆 变 器 、 母 线 电 流 检 测 电 路 和 电 压 反
馈 分 压 器 。
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对 电 机 控 制 开 发 板 的 改 动
为 了 使 应 用 软 件 正 常 工 作 , 必 须 重 新 分 配 控 制 板 上 的
ADC 通 道 , 这 是 因 为 同 时 对 母 线 电 流 (IBUS)、 母 线 电
压 (VDC)、 速 度 给 定 (POT) 和 一 相 电 压 (VPH) 四
个 信 号 进 行 采 样 。dsPIC30F 的 10 位 A/D 转 换 器 采 用 专
门 的 输 入 引 脚 进 行 同 时 采 样 。 AN0, 1, 2 分 别 用 于
VDC、IBUS 和 POT 的 采 样 ,CH0 MUX 用 于 在 原 来 为 三
相 电 压 所 分 配 AN12,13,14 的 VPH 信 号 之 间 切 换 。 需
要 在 PCB 上 完 成 下 列 连 接 以 重 新 分 配 模 拟 通 道 :
• 连 接 J6 的 AN11 引 脚 和 LK1 的 引 脚 2(LK1 的 其 他 引
脚 保 持 悬 空 )。
• 连 接 J6 的 AN8 引 脚 和 LK2 的 引 脚 2(LK2 的 其 他 引
脚 保 持 悬 空 )。
• 连 接 J6 的 AN2 引 脚 和 AN7 引 脚 。
注 :
LK1 和 LK2 用 于 重 新 分 配 AN0 和 AN1, 以
确 保 这 些 信 号 和 MPLAB ICD 2 之 间 没 有 冲
突 ,MPLAB ICD 2 将 这 些 信 号 线 用 作 缺 省
的 时 钟 和 数 据 。
使 用 S2 和 MPLAB ICD 2
AN0 和 AN1 用 来 提 供 反 馈 信 号 , 而 且 MPLAB ICD 还
用 它 们 来 进 行 编 程 和 调 试 。 因 此 , 必 须 在 适 当 的 时 候 使
用 S2 切 换 到 MPLAB ICD 时 钟 线 和 数 据 线 。 无 论 是 否
调 试 都 需 要 这 样 做 。 如 果 使 用 的 是 dsPICDEM MC1 电
机 控 制 开 发 板 , 并 准 备 使 用 MPLAB ICD 2 来 调 试 , 请
完 成 下 列 的 第 1 至 第 3 步 。 如 果 准 备 采 用 MPLAB ICD
来 进 行 器 件 编 程 , 仅 仅 需 要 完 成 第 2 步 到 第 3 步 。
1. 在 MPLAB IDE 中 , 在 Configure> Configuration
Bits>Comm Channel Select 窗 口 中 选 择 “Use
EMUC1 and EMUD1” 选 项 。
2. 将 S2 调 到 对 应 于 MPLAB ICD 这 边 的 位 置 , 对
器 件 编 程 。
3. 编 程 完 成 后 , 把 S2 改 到 模 拟 位 置 并 运 行 软 件 。
设 置 并 调 整 用 户 参 数
用 户 界 面 简 单 直 观 。LCD 显 示 屏 和 按 钮 开 关 允 许 调 整 许
多 参 数 。 在 可 能 的 情 况 下 会 出 现 帮 助 字 符 串 。 四 个 按 钮
的 功 能 如 下 :
S4 • 在 待 机 或 故 障 状 态 下 激 活 编 辑 菜 单 。
• 在 编 辑 菜 单 中 回 滚 参 数 列 表 。
• 修 改 参 数 值 时 减 少 值 。
• 运 行 时 在 两 个 不 同 的 屏 幕 间 切 换 。
S5 • 在 编 辑 菜 单 中 向 下 滚 动 参 数 列 表 。
• 修 改 参 数 值 时 增 加 值 。
S6 • 选 择 要 修 改 的 参 数 。
• 存 储 新 的 参 数 值 。
S7 • 在 编 辑 菜 单 没 有 激 活 的 情 况 下 起 动 / 停 止
/ 复 位 系 统 。
• 从 编 辑 菜 单 和 修 改 参 数 状 态 退 出 。
大 部 分 参 数 在 其 函 数 中 都 有 说 明 。 源 文 件 parameters.h
包 括 参 数 的 补 充 解 释 和 缺 省 值 , 同 时 还 包 含 各 个 参 数 的
特 性 。 如 果 某 个 语 句 在 引 号 ("") 内 , 则 该 语 句 对 应 于
LCD 上 显 示 的 文 本 字 符 串 。 附 录 A 列 出 了 各 个 参 数 , 并
包 含 一 些 参 数 取 值 的 含 义 。 系 统 上 电 后 为 参 数 0, 并 且
开 始 循 环 访 问 ( 从 参 数 0 移 动 至 最 后 一 个 参 数 )。 下 面
有 对 起 动 参 数 的 详 细 解 释 。
推 荐 的 设 置 方 法
推 荐 使 用 缺 省 参 数 , 以 此 作 为 设 置 的 良 好 起 点 。 缺 省 值
包 含 在 parameters.h 文 件 内 , 并 在 附 录 A:“ 用 户 参 数 ”
中 描 述 。 将 系 统 配 置 为 开 环 运 行 , 也 就 是 说 起 动 和 运 行
都 采 用 简 单 的 电 压 控 制 , 这 样 开 始 时 就 不 需 要 调 整 速 度
和 电 压 控 制 环 。
建 议 在 开 始 时 忽 略 与 控 制 环 相 关 的 所 有 参 数 , 集 中 注 意
力 调 整 起 动 参 数 ( 参 见 “ 起 动 参 数 ”), 以 得 到 可 靠 的
无 振 荡 起 动 。
一 旦 系 统 在 无 传 感 器 的 开 环 控 制 模 式 下 运 行 , 你 可 能 希
望 对 控 制 环 和 其 他 系 统 参 数 进 行 一 些 试 验 。
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硬 件 参 数
在 系 统 起 动 之 前 , 必 须 确 保 与 硬 件 相 关 的 设 置 参 数 正 确
无 误 。 这 些 参 数 的 设 置 主 要 取 决 于 所 选 择 的 电 机 。 设 置
参 数 包 括 :
• Number Motor Pole
• Blanking Count
• Voltage Scale
• Current Scale
这 些 参 数 的 解 释 可 以 在 附 录 A 中 找 到 。
起 动 参 数
由 于 低 速 时 缺 少 BEMF 信 息 , 电 机 必 须 开 环 起 动 。 如 果
起 动 参 数 调 整 得 与 电 机 匹 配 , 给 定 值 不 过 高 或 过 低 , 系
统 应 该 无 传 感 器 运 行 。 如 果 给 定 值 过 高 , 将 会 发 生 过 电
流 。 如 果 给 定 值 过 低 , 系 统 将 不 能 起 动 。 良 好 的 起 点 是
起 动 速 度 为 速 度 给 定 的 1/2。 实 现 了 两 种 不 同 的 起 动 方
法 , 同 时 还 要 对 几 个 参 数 进 行 调 整 , 以 根 据 特 定 的 应 用
调 整 起 动 。 控 制 电 机 起 动 的 参 数 如 下 :
• Direction Demand
• Lock Position 1 Time, Lock Position 2 Time
• Lock Position 1 Time, Lock Position 2 Time
• Ramp Start Speed, Ramp End Speed
• Ramp Start Demand, Ramp End Demand
• Ramp Duration
• Starting Control
• Acquire Method
• ZeroX Enable Speed
• Windmilling Demand
• Braking Ramp Time
首 先 要 确 定 电 机 起 动 和 运 行 的 方 向 。 可 以 通 过 修 改
Direction Demand 参 数 来 改 变 方 向 。 在 项 目 的 最 初 开 发
阶 段 , 电 机 运 转 方 向 可 能 并 不 是 很 重 要 。 但 是 , 某 些 类
型 的 电 机 及 一 些 负 载 需 要 特 定 的 旋 转 方 向 。 也 可 以 通 过
交 换 电 机 的 两 根 电 源 线 来 改 变 电 机 运 转 方 向 。
起 动 程 序 使 电 机 以 较 低 的 开 环 速 度 运 转 , 随 后 加 速 到 一
个 最 终 值 , 以 产 生 足 够 的 BEMF 电 压 , 从 而 使 无 传 感 器
算 法 开 始 工 作 。BLDC 电 机 在 开 环 模 式 下 的 运 转 类 似 于
步 进 电 机 , 但 是 这 是 一 个 非 常 低 效 的 运 转 模 式 , 并 且 在
这 种 模 式 下 运 行 时 , 电 机 不 能 产 生 额 定 转 矩 。
设 定 锁 定 参 数
在 电 机 运 转 之 前 , 该 算 法 在 对 两 对 绕 组 进 行 短 时 间 通 电
后 , 把 转 子 定 位 在 两 个 参 考 或 锁 定 位 置 。 这 两 个 锁 定 位
置 可 以 确 保 转 子 在 开 环 起 动 算 法 开 始 运 行 之 前 已 处 于 已
知 的 参 考 点 上 。 开 环 起 动 开 始 前 转 子 的 位 置 稳 定 是 非 常
重 要 的 , 并 且 必 须 对 这 四 个 Lock Position 参 数 进 行 相 应
调 整 。 如 果 Lock Position Demand 参 数 设 置 过 高 , 转 子
会 在 到 达 锁 定 位 置 时 发 生 振 荡 。 如 果 这 个 参 数 设 置 过
低 , 转 子 将 不 会 移 动 到 参 考 位 置 。 试 着 增 大 或 减 小 Lock
Position Demand 参 数 , 直 到 转 子 以 最 小 的 振 荡 迅 速 移
动 到 两 个 锁 定 位 置 。 在 设 置 好 给 定 参 数 之 后 , 可 以 增 大
或 减 小 Lock Position Time 参 数 来 调 整 每 个 锁 定 位 置 的
保 持 时 间 。 有 些 负 载 的 惯 性 很 大 ( 例 如 大 直 径 的 风 扇 叶
片 ), 转 子 振 荡 可 能 需 要 较 长 的 保 持 时 间 才 会 消 失 。 惯
性 较 小 的 负 载 的 锁 定 时 间 可 以 设 为 一 个 很 低 的 值 , 这 样
可 以 使 电 机 快 速 起 动 。 配 置 软 件 时 , 试 着 使 用 S7 按 钮
起 动 电 机 , 并 在 锁 定 时 间 内 观 察 转 子 的 运 转 。 如 果 尚 未
配 置 其 余 的 参 数 , 可 以 在 锁 定 时 间 后 按 下 S7 按 钮 , 退
出 电 机 起 动 程 序 。
设 定 加 速 参 数
在 第 二 个 锁 定 结 束 时 , 系 统 将 自 动 开 始 以 开 环 步 进 方 式
对 系 统 通 电 。 你 必 须 选 择 加 速 起 动 速 度 (Ramp Start
Speed 参 数 ) 以 及 通 电 给 定 , 使 得 转 子 锁 定 在 通 电 顺 序
上 。
然 后 当 系 统 在 给 定 的 “Ramp Duration” 时 间 内 加 速 到
“Ramp End Speed” 时 , 根 据 两 个 Ramp Demand 的
值 随 速 度 线 性 改 变 给 定 值 。 开 环 步 进 速 度 介 于 起 动 速 度
和 最 终 速 度 之 间 , 满 足 公 式 3 给 出 的 时 间 平 方 律 函 数 :
公 式 3:
时 间 平 方 律 函 数
ω = ω s
+ kt 2
其 中 ,ω s 表 示 Ramp Start Speed 参 数 ,k 表 示 Ramp
End Speed 参 数 减 去 Ramp Start Speed 参 数 得 到 的 值 ,
t 表 示 由 Ramp Duration 参 数 决 定 的 时 间 。
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通 过 选 择 加 速 方 式 来 优 化 起 动 性 能 。 加 速 结 束 时 的 速 度
必 须 足 够 高 , 为 系 统 提 供 足 够 高 的 BEMF 电 压 , 使 系 统
能 可 靠 地 检 测 过 零 点 。
加 速 参 数 指 南
首 先 要 为 加 速 选 择 起 始 和 终 止 速 度 。 这 两 个 速 度 取 决 于
特 定 电 机 的 额 定 速 度 和 BEMF 电 压 常 量 。 要 确 保 将 电 机
可 靠 地 加 速 到 某 一 速 度 , 在 此 速 度 下 无 传 感 器 程 序 能 检
测 到 BEMF 电 压 。 可 使 用 的 经 验 法 则 是 , 将 Ramp Start
Speed 参 数 设 置 为 电 机 额 定 速 度 值 的 1/60。Ramp End
Speed 参 数 可 以 设 置 为 电 机 额 定 速 度 值 的 1/6。 例 如 ,
当 电 机 的 额 定 速 度 为 3000RPM 时 , 可 将 Ramp Start
Speed 设 置 为 50RPM, 而 将 Ramp End Speed 设 置 为
500RPM。
然 后 , 需 要 设 置 Ramp Start Demand 和 Ramp End
Demand 参 数 。 如 果 使 用 电 压 控 制 模 式 ( 软 件 缺 省 设
置 ), 起 始 值 在 50% 左 右 通 常 是 合 适 的 。 设 置 这 些 给 定
量 的 关 键 是 , 要 在 没 有 “ 滑 转 ” 或 过 多 机 械 振 动 的 情 况
下 将 电 机 加 速 到 最 终 速 度 。 设 置 这 些 给 定 量 最 好 的 方 法
是 , 在 起 动 时 观 测 转 子 , 在 给 电 机 通 电 时 监 听 其 发 出 的
声 音 。 在 执 行 起 动 程 序 时 , 大 多 数 电 机 会 发 出 滴 滴 答 答
的 噪 音 , 噪 音 的 频 率 与 加 速 的 速 度 成 比 例 。 如 果 听 到 加
速 的 速 度 在 增 加 , 但 是 转 子 转 速 减 慢 或 者 只 在 某 个 固 定
位 置 振 动 , 就 可 能 要 增 加 加 速 给 定 量 。 如 果 转 子 看 起 来
加 速 适 当 , 但 在 加 速 期 间 似 乎 出 现 过 多 的 电 机 振 动 、 过
电 流 或 噪 音 过 大 , 则 加 速 给 定 量 可 能 被 设 置 得 过 高 。 在
大 多 数 情 况 下 , 需 要 将 Ramp End Demand 参 数 设 置 得
比 Ramp Start Demand 参 数 高 出 5% 到 15%。 如 果 这
两 个 参 数 相 等 , 可 以 观 察 到 电 机 开 始 加 速 时 正 常 , 但 是
当 加 速 的 速 度 增 加 时 电 机 开 始 滑 转 。
可 调 整 Ramp Duration 参 数 以 优 化 起 动 时 间 。 一 般 情 况
下 , 应 使 用 相 对 较 长 的 加 速 时 间 起 动 , 以 确 保 电 机 正 常
起 动 。 2 到 4 秒 间 的 加 速 时 间 可 适 用 于 大 多 数 电 机 和 负
载 组 合 。 你 会 发 现 , 惯 性 较 大 的 负 载 需 要 较 长 的 加 速 时
间 达 到 适 当 的 加 速 。 当 缩 短 加 速 时 间 时 , 也 要 增 加
Ramp Start Demand 和 Ramp End Demand 参 数 , 以
避 免 转 子 在 起 动 时 滑 转 。
设 置 起 动 控 制
通 过 Starting Control 参 数 (#40) 选 择 电 流 控 制 或 电 压
控 制 。
电 流 控 制 有 利 于 消 除 由 DC 母 线 电 压 变 化 或 电 机 阻 抗 引
起 的 起 动 电 流 变 化 。 然 而 相 对 于 电 压 控 制 , 电 流 控 制 的
保 持 时 间 通 常 要 延 长 , 因 为 转 子 振 动 比 电 压 控 制 时 明
显 。 电 流 控 制 的 PID 环 也 需 要 调 整 。
如 果 使 用 电 流 控 制 , 应 当 输 入 适 当 的 过 电 流 翻 转 电 平 ,
因 为 它 按 比 例 修 正 给 定 量 。 要 确 保 输 入 正 确 的 电 流 反 馈
比 例 ( 如 何 选 取 恰 当 的 值 请 参 见 parameters.h)。
采 用 电 压 控 制 ( 缺 省 设 置 ) 方 法 , 不 能 检 测 母 线 电 流 ,
且 不 能 使 用 针 对 某 些 应 用 的 相 关 软 件 。 只 有 在 很 清 楚
DC 母 线 电 压 的 变 化 并 且 负 载 转 矩 可 重 复 时 , 才 能 使 用
电 压 控 制 方 法 。 否 则 起 动 可 能 失 败 。
两 种 不 同 的 采 集 方 法
两 种 不 同 的 采 集 方 法 , 在 本 文 和 所 有 源 代 码 中 称 为 “ 方
法 1” 和 “ 方 法 2”, 在 无 传 感 器 运 行 之 前 , 使 用 这 两
种 方 法 采 集 初 始 位 置 。 通 过 Acquire Method 参 数 (#43)
来 选 择 使 用 哪 种 方 法 。 要 根 据 具 体 的 应 用 来 选 择 适 合 的
方 法 。
方 法 1
采 用 此 方 法 时 , 一 旦 电 机 速 度 超 过 了 ZeroX Enable
Speed 参 数 (#44), 系 统 就 开 始 查 询 过 零 点 。 如 果 在
电 周 期 的 两 个 连 续 段 中 检 测 到 了 过 零 点 , 就 会 起 动 无 传
感 器 换 相 。 应 将 ZeroX Enable Speed 参 数 设 置 为 某 一
速 度 , 此 速 度 要 高 于 可 观 测 到 平 滑 运 转 和 产 生 足 够 反 电
动 势 时 的 速 度 。 调 整 起 动 参 数 时 , 用 示 波 器 监 测 一 相 或
多 相 电 压 , 可 以 很 好 地 确 定 此 参 数 。 通 过 J6 连 接 器 的
AN12、AN13 和 AN14 信 号 , 可 很 好 地 观 测 到 相 电 压 。
为 了 使 此 方 法 能 正 常 工 作 ,ZeroX Enable Speed 参 数 必
须 低 于 Ramp End Speed 参 数 。
当 以 开 环 步 进 方 式 通 电 , 电 机 以 恒 定 速 度 运 转 时 , 假 定
可 忽 略 负 载 扭 矩 , 转 子 位 置 比 无 传 感 器 控 制 下 运 转 时 的
位 置 大 约 超 前 90°( 电 角 度 )。 所 以 ,BEMF 过 零 点 发
生 在 某 相 通 电 时 , 而 不 是 不 通 电 区 , 因 此 无 法 检 测 到 过
零 点 。 为 了 能 检 测 到 过 零 点 , 必 须 以 某 一 速 率 使 电 机 加
速 。 加 速 期 间 , 电 机 和 负 载 的 惯 性 会 引 起 位 置 上 的 滞
后 , 这 样 就 消 除 了 某 些 或 所 有 自 然 的 相 位 超 前 。 加 速 速
率 越 高 , 滞 后 越 严 重 。 这 样 , 通 过 选 择 正 确 的 起 动 参 数
和 相 对 可 预 测 的 机 械 负 载 , 在 某 相 不 通 电 期 间 会 出 现
BEMF 过 零 点 并 能 被 检 测 到 , 使 系 统 起 动 。
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由 于 方 法 1 能 提 供 快 速 且 无 缝 的 起 动 , 因 此 对 于 许 多 应
用 都 可 以 选 择 这 种 采 集 方 法 。 然 而 , 为 了 使 此 方 法 能 正
确 工 作 , 必 须 慎 重 选 择 控 制 加 速 的 起 动 参 数 。 如 果 机 械
负 载 变 化 或 不 可 重 复 , 则 可 能 导 致 采 集 失 败 。
方 法 2
当 加 速 时 , 方 法 2 并 不 查 询 过 零 点 。 而 是 当 加 速 结 束 时 ,
电 机 暂 时 断 电 。 此 时 , 三 相 电 压 均 可 检 测 到 。 当 相 电 压
升 高 到 零 伏 以 上 时 , 相 电 压 当 前 值 和 前 后 值 可 用 来 确 定
旋 转 方 向 和 位 置 。 当 需 要 两 个 不 同 的 相 电 压 上 升 沿 时 ,
系 统 采 集 最 多 需 要 一 个 旋 转 电 周 期 。 采 集 完 后 , 系 统 重
新 通 电 , 并 以 无 传 感 器 换 相 运 行 。 所 以 此 方 法 的 优 点
是 , 不 需 要 对 电 机 和 负 载 有 很 深 入 的 了 解 。 只 需 要 有 足
够 的 反 电 动 势 和 惯 性 , 以 确 保 在 采 集 时 电 机 不 停 转 。 而
且 , 在 加 速 结 束 前 , 不 应 有 过 多 的 速 度 振 荡 。 这 种 采 集
方 法 用 来 提 供 快 速 起 动 检 测 ( 系 统 一 起 动 就 发 生 明 显 的
旋 转 ) 和 风 力 旋 转 检 测 ( 参 见 表 3)。
表 3:
• 快 速 起 动
• 电 机 无 停 转 风 险
• 需 要 认 真 调 整 参 数
• 需 要 可 预 测 的 负 载
采 集 方 法 的 比 较
方 法 1 方 法 2
优 点
• 参 数 调 整 简 便
• 可 用 于 机 械 负 载 无 法 预
测 情 况
缺 点
• 需 要 相 当 大 的 惯 性 或 低
负 载 且 在 适 当 的 速 度 下
运 行 , 以 避 免 停 转
风 力 旋 转
在 风 扇 应 用 中 , 由 于 周 围 气 流 的 作 用 , 当 电 机 断 电 时 ,
风 扇 的 叶 片 常 会 旋 转 , 这 种 现 象 被 称 作 风 力 旋 转 。 为 了
提 供 稳 定 的 起 动 , 开 始 时 要 对 速 度 和 方 向 进 行 检 测 。 如
果 电 机 已 经 旋 转 , 并 且 旋 转 方 向 和 给 定 方 向 一 致 , 则 可
使 用 方 法 2 实 现 快 速 起 动 。
如 果 电 机 正 在 旋 转 , 并 且 旋 转 方 向 和 给 定 方 向 相 反 , 则
必 须 使 电 机 减 速 直 到 停 止 。 可 使 用 正 常 的 起 动 方 法 , 以
希 望 的 方 向 起 动 电 机 。 这 可 通 过 对 电 机 通 电 , 从 旋 转 检
测 和 降 速 期 间 检 测 到 的 速 度 开 环 起 动 来 实 现 。 达 到 0 Hz
所 需 的 时 间 由 Braking Ramp T 参 数 控 制 , 以 10 ms 为
增 量 进 行 设 置 。 Windmilling Dem 参 数 设 置 风 力 旋 转 减
速 期 间 使 用 的 给 定 百 分 比 。 应 该 调 整 这 两 个 参 数 , 以 确
保 系 统 在 制 动 时 锁 定 。
起 动 参 数 检 查 修 正
如 果 所 选 的 参 数 设 置 不 能 使 系 统 正 确 起 动 , 则 按 照 下 面
建 议 的 顺 序 进 行 调 整 :
锁 定 参 数
首 先 , 要 确 保 初 始 定 位 正 确 。 延 长 两 次 锁 定 的 时 间 来 观
测 锁 定 时 的 运 动 。 在 电 机 确 实 可 以 正 确 响 应 后 , 将 锁 定
时 间 减 至 可 接 受 的 值 。 有 时 电 机 会 在 第 一 次 锁 定 要 求 的
位 置 停 止 , 这 意 味 着 在 第 一 次 锁 定 时 没 有 观 测 到 任 何 运
动 。 然 而 , 相 电 压 的 检 测 将 确 保 仍 然 正 确 通 电 。
通 常 , 系 统 起 动 负 载 较 小 时 , 例 如 大 多 数 风 机 , 需 要 低
的 速 度 给 定 起 动 转 子 。 因 为 这 种 负 载 也 可 能 阻 尼 较 小 ,
因 此 速 度 给 定 太 高 可 能 引 起 不 希 望 的 振 荡 。 而 对 于 起 动
负 载 较 大 的 系 统 ( 例 如 某 些 水 泵 ), 则 需 要 较 高 的 速 度
给 定 来 起 动 转 子 。 幸 运 的 是 , 这 些 负 载 通 常 阻 尼 较 大 。
某 些 具 有 高 传 动 转 矩 或 惯 性 的 复 杂 负 载 可 能 需 要 较 高 的
速 度 给 定 起 动 和 较 长 的 锁 定 步 骤 时 间 , 很 适 合 于 采 用 这
种 无 传 感 器 控 制 。
Ramp Start Demand 和 Speed 参 数
第 二 次 锁 定 后 , 系 统 立 即 开 始 以 预 定 的 初 始 速 率 使 电 机
步 进 运 转 。 转 子 必 须 与 通 电 顺 序 同 步 。 如 果 速 度 给 定 太
低 或 者 速 度 太 快 , 转 子 就 可 能 在 这 一 位 置 通 电 失 败 。 相
反 地 , 如 果 速 度 太 慢 而 速 度 给 定 太 高 , 转 子 可 能 会 在 某
一 位 置 附 近 振 荡 , 从 而 导 致 同 步 失 败 。
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在 某 相 未 通 电 期 间 观 测 电 压 反 馈 信 号 , 可 以 确 定 BEMF
是 否 有 振 荡 。 降 低 速 度 给 定 可 能 是 解 决 这 些 不 希 望 位 置
振 动 的 方 案 。 然 而 , 正 如 我 们 将 在 以 下 部 分 所 看 到 的 那
样 , 额 外 的 转 矩 有 助 于 加 速 。 因 此 要 根 据 加 速 要 求 来 调
整 速 度 给 定 的 初 始 值 。
加 速 至 采 集 速 度
两 种 采 集 方 法 都 要 求 电 机 具 有 足 够 高 的 速 度 , 使 得
BEMF 信 息 有 效 。 此 外 对 于 方 法 1 而 言 , 加 速 本 身 对 于
产 生 使 检 测 方 法 有 效 所 必 需 的 相 移 是 至 关 重 要 的 。 请 看
下 面 的 示 波 器 照 片 , 给 出 了 良 好 和 不 良 加 速 的 例 子 。
考 虑 起 动 参 数 时 , 请 记 住 系 统 依 赖 于 BEMF 电 压 信 息 的
成 功 采 集 。 按 照 经 验 法 则 , 已 知 电 机 的 BEMF 常 量 , 应
该 调 整 相 电 压 反 馈 电 阻 网 络 , 以 在 达 到 打 算 采 集 的 速 度
时 能 提 供 大 约 100mV 的 电 压 反 馈 。 方 法 1 中 的 采 集 速
度 位 于 ZeroX Enable Speed 参 数 和 Ramp End Speed
参 数 之 间 。 对 于 方 法 2, 由 Ramp End Speed 参 数 给 出
采 集 速 度 。
起 动 过 程 中 相 电 压 反 馈 的 示 波 器 照 片 示 例
下 面 的 示 波 器 照 片 显 示 了 下 述 情 况 :
• 锁 定 和 开 环 步 进 ( 参 见 图 6)
• 正 常 无 传 感 器 运 行
• 采 集 方 法 2
• 采 集 方 法 1
在 所 有 照 片 中 , 上 面 的 波 形 为 A 相 电 压 反 馈 , 下 面 的 波
形 为 B 相 电 压 反 馈 。 未 显 示 C 相 电 压 。
示 波 器 图 1( 图 6) 显 示 电 机 起 动 时 A 相 和 B 相 的 电 压
反 馈 信 号 。 大 约 1/2 秒 后 ( 左 边 沿 起 第 一 个 时 间 格 ) 开
始 第 一 次 锁 定 (1)。 对 B 相 和 C 相 通 电 (2), 在 A
相 稳 定 之 前 可 以 看 到 一 些 振 荡 (3)。 大 约 一 秒 钟 之 后 ,
第 二 次 锁 定 发 生 (4), 此 时 A 和 B 被 锁 定 。 再 过 一 秒
钟 之 后 , 系 统 开 始 步 进 (5) , 并 加 速 。 可 以 看 到 一 旦
系 统 进 入 起 动 程 序 的 步 进 阶 段 , 就 会 以 120 电 角 度 通 电
和 60 电 角 度 断 电 , 并 且 可 以 看 到 通 电 频 率 逐 渐 增 加 。 在
最 后 一 个 时 间 区 间 (7) 中 , 可 以 看 到 一 个 缺 少 2 个 通
电 周 期 的 小 间 隙 , 这 对 应 于 使 用 方 法 2 时 的 采 集 点 。
图 6:
1
2
示 波 器 图 1: 锁 定 和 开 环 步 进
3 4 5 6 7
示 波 器 图 2 ( 图 7) 显 示 在 成 功 采 集 后 , 系 统 在 无 传 感
器 模 式 下 正 常 运 行 。 因 为 通 电 区 间 设 置 正 确 , 所 以
BEMF 过 零 点 (8) 始 终 可 见 , 这 与 对 闭 环 控 制 所 期 望
的 那 样 。 为 了 更 细 致 地 研 究 图 1 到 图 2 之 间 的 过 程 , 需
要 分 别 考 虑 这 两 种 采 集 方 法 。
图 7:
示 波 器 图 2: 正 常 无 传 感 器 运 行
8 参 见 图 8
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可 以 忽 略 不 通 电 区 间 中 BEMF 波 形 上 的 “ 毛 刺 ”。 如 图
8 所 示 , 它 是 叠 加 在 PWM 频 率 上 的 高 频 AC 电 压 。
图 9: 示 波 器 图 3: 采 集 方 法 2
图 8:
示 波 器 图 2A: 放 大 的 过 零 点 事 件
13
11
12
10
9
虚 线 区 内 出 现 的 波 动 (9) 是 由 于 电 机 相 间 的 互 耦 效 应
产 生 的 , 互 耦 效 应 由 给 电 机 通 电 的 PWM 信 号 引 起 。 互
耦 值 随 所 用 的 具 体 电 机 型 号 而 有 所 不 同 。 因 为 AD 采 样
与 PWM 励 磁 同 步 , 所 以 系 统 会 忽 略 这 里 的 AC 影 响 。
上 面 的 波 形 (10) 显 示 出 应 用 了 PWM 通 电 后 产 生 的 电
机 电 流 , 但 这 不 是 这 次 讨 论 的 主 题 。
示 波 器 图 3( 图 9) 显 示 了 采 集 方 法 2。 图 的 中 心 (11)
显 示 出 电 机 的 开 环 步 进 停 止 点 , 在 该 处 采 用 方 法 2 来 检
测 位 置 。 此 时 , BEMF 不 再 有 通 电 时 通 常 会 看 到 的 ½
VDC 偏 置 。 系 统 检 测 相 电 压 大 于 Acquire Threshold 参
数 ( 参 数 #34) 所 给 定 值 时 的 所 处 的 点 。 可 以 看 到 这 种
情 况 发 生 在 B 相 上 , 就 在 波 形 中 心 后 (12)。 下 一 个 上
升 沿 出 现 在 C 相 ( 未 显 示 ), 用 来 确 定 方 向 、 速 度 和 位
置 。 然 后 系 统 就 会 转 换 到 常 规 闭 环 无 传 感 器 运 行 。
注 意 , 上 升 到 断 电 点 的 波 形 表 明 , 当 相 不 通 电 时 可 看 到
的 BEMF 波 形 不 会 显 示 任 何 BEMF 过 零 点 。 过 零 事 件
被 通 电 隐 藏 起 来 。 缺 少 可 检 测 的 过 零 点 会 导 致 采 集 方 法
1 失 败 , 但 对 于 采 集 方 法 2 却 不 存 在 问 题 。
要 成 功 使 用 方 法 2, 必 须 设 置 加 速 参 数 , 让 步 进 过 程 中
的 加 速 满 足 下 述 三 个 条 件 。
• 首 先 , 转 子 的 加 速 度 不 能 高 于 最 高 加 速 度 。 如 果 加
速 度 过 快 , 转 子 失 去 同 步 , 则 增 大 Ramp Duration
参 数 ( 参 数 #10), 减 少 Ramp End Speed 参 数
( 参 数 #7), 或 者 增 加 Ramp End Demand 参 数
( 参 数 #9)。
• 第 二 ,BEMF 电 压 幅 值 对 于 Ramp End Speed 参 数
( 参 数 #7) 必 须 足 够 大 。
• 第 三 , 在 加 速 结 束 时 不 应 该 有 非 常 大 的 转 速 振 荡 。
振 荡 过 大 会 导 致 上 升 沿 检 测 错 误 并 且 检 测 到 的 位 置
不 正 确 。 实 际 位 置 与 检 测 位 置 的 误 差 会 导 致 出 现 触
发 脉 冲 的 位 置 不 正 确 , 此 时 出 现 的 严 重 错 误 可 能 引
起 电 机 停 转 。
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如 示 波 器 图 4( 图 10) 所 示 , 在 左 半 部 分 系 统 运 行 在 开
环 步 进 状 态 (14)。 通 电 相 之 间 的 BEMF 电 压 是 可 见
的 , 但 不 会 显 示 任 何 过 零 点 , 这 是 因 为 相 位 滞 后 不 够
大 , 不 足 以 显 现 出 过 零 点 。 当 加 速 度 增 加 时 , 相 位 滞 后
随 时 间 增 加 。 第 一 个 可 见 的 过 零 点 出 现 在 图 中 B 相 的 中
间 部 分 (15)。 大 约 10ms 后 在 A 相 出 现 下 一 个 过 零 点
(16)。 第 二 个 可 见 过 零 点 是 系 统 采 用 采 集 方 法 1 采 集
的 。 在 该 点 之 后 , 开 始 正 确 的 闭 环 无 传 感 器 运 行 (17)。
对 于 某 些 电 机 和 负 载 , 当 从 转 子 锁 定 转 换 到 开 环 步 进
时 , 第 一 个 加 速 可 能 会 出 现 过 零 点 , 并 允 许 非 常 快 速 的
起 动 。 要 利 用 这 一 点 , 采 集 点 时 的 BEMF 电 压 幅 值 必 须
足 够 大 , 而 且 ZeroX Enable Speed 参 数 ( 参 数 #44)
必 须 适 当 地 设 置 得 低 一 些 。
示 波 器 图 5( 图 11) 显 示 了 在 大 惯 性 系 统 上 实 现 的 此 类
例 子 。 在 换 相 的 前 两 步 , 转 子 还 没 有 移 动 得 很 远 , 因 此
立 即 出 现 了 过 零 点 (18, 19)。
图 10: 示 波 器 图 4: 采 集 方 法 1
图 11:
示 波 器 图 5: 采 集 方 法 1 - 快 速 起 动
14
17
18
16
15
19
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运 行 参 数
设 置 控 制 模 式
本 应 用 软 件 有 四 种 控 制 模 式 供 选 择 , 用 于 无 传 感 器 运
行 。 这 些 模 式 如 下 :
• 模 式 0 - 闭 环 电 压
• 模 式 1 - 闭 环 电 流
• 模 式 2 - 开 环 电 压
• 模 式 3 - 开 环 电 流
如 图 12 所 示 , 这 四 种 软 件 模 式 决 定 是 否 使 用 速 度 控 制
环 和 电 流 控 制 环 。
在 模 式 0 中 , 使 用 速 度 控 制 环 控 制 发 送 到 电 机 的 PWM
占 空 比 。 速 度 设 置 由 电 位 器 的 值 决 定 , 可 以 使 用 Pot X
for Speed 参 数 ( 参 数 #39) 按 比 例 调 节 电 位 器 的 值 以
达 到 所 需 的 速 度 范 围 。
在 模 式 1 下 , 使 用 内 部 电 流 控 制 环 来 设 置 PWM 占 空 比 。
速 度 控 制 环 作 为 外 部 控 制 环 , 为 内 部 电 流 控 制 环 提 供 电
流 给 定 。
模 式 2 不 使 用 任 何 控 制 环 来 影 响 电 机 运 转 。 这 是 默 认 的
软 件 模 式 。 电 位 器 的 值 直 接 影 响 PWM 占 空 比 。 选 择 模
式 2 对 特 定 电 机 进 行 软 件 初 始 调 节 可 以 避 免 控 制 环 调 节
可 能 引 起 的 问 题 , 这 些 问 题 可 能 会 影 响 电 机 起 动 。 可 以
使 用 Pot / for Duty 参 数 ( 参 数 #37) 调 节 此 模 式 下 的 电
位 器 值 的 比 例 。
图 12:
控 制 模 式
控 制 模 式 0
闭 环 电 压
速 度
给 定
+
-
S
速 度 PI
控 制 器
dsPIC ®
MCPWM
BLDC
电 机
电 机 速 度 计 算 结 果
控 制 模 式 1
闭 环 电 流
速 度
给 定
+
-
S
速 度 PI
控 制 器
电 流
给 定
S
电 流
PID
控 制 器
电 机 电 流
dsPIC ®
MCPWM
BLDC
电 机
电 机 速 度 计 算 结 果
控 制 模 式 2
开 环 电 压
电 压
给 定
dsPIC ®
MCPWM
BLDC
电 机
控 制 模 式 3
开 环 电 流
电 流
给 定
+
S
-
电 流
PID
控 制 器
电 机 电 流
dsPIC ®
MCPWM
BLDC
电 机
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模 式 3 只 支 持 电 流 控 制 环 。 电 位 器 值 设 置 电 流 给 定 。 可
以 使 用 Pot / for Current 参 数 ( 参 数 # 38) 通 过 电 位 器
值 按 比 例 调 节 电 流 给 定 。 电 机 带 有 轻 量 负 载 运 行 在 模 式
3 下 时 ,PWM 占 空 比 通 常 会 饱 和 , 引 起 电 机 以 最 大 速 度
运 行 。 这 是 因 为 电 机 无 法 消 耗 掉 电 流 控 制 器 所 要 求 的 电
流 量 引 起 的 。 使 用 模 式 3 时 , 可 将 一 个 安 培 表 串 联 到 DC
母 线 电 源 来 观 测 电 流 控 制 器 的 效 果 。
控 制 环 参 数
当 软 件 在 模 式 0 下 运 行 时 , 需 要 调 节 Speed P Gain 参
数 ( 参 数 #20) 和 Speed I Gain 参 数 ( 参 数 #21)。 当
软 件 运 行 在 模 式 3 时 , 需 要 调 节 Current P Gain( 参 数
#17)、 Current I Gain 参 数 ( 参 数 #18) 和 Current D
Gain 参 数 ( 参 数 #19)。 如 果 软 件 运 行 在 模 式 1, 电 压
和 电 流 控 制 参 数 都 需 要 调 节 。
必 须 实 验 性 地 调 节 PID 参 数 。 缺 省 的 PID 参 数 是 比 较 保
守 的 值 , 可 能 适 合 大 部 分 电 机 。
设 置 参 数 限 制
Stall Time Limit 参 数 设 置 延 时 , 此 参 数 决 定 在 电 机 停 转
状 态 前 软 件 需 要 等 待 的 时 间 。 如 果 软 件 在 此 时 间 内 检 测
到 有 效 的 过 零 事 件 , 可 能 会 重 新 起 动 已 经 停 转 的 电 机 。
如 果 电 机 高 速 运 行 , 可 能 需 要 调 节 Over Speed Limit 参
数 。 缺 省 值 是 3300 RPM。
Over Volts Limit 参 数 以 十 分 之 一 伏 特 增 量 设 置 最 大 DC
母 线 电 压 。 此 参 数 决 定 放 电 斩 波 电 路 何 时 开 始 调 整 DC
母 线 电 压 。
Over Current Limit 参 数 以 十 分 之 一 安 培 增 量 设 置 DC 母
线 电 流 峰 值 。 你 可 能 希 望 将 此 参 数 设 置 为 高 出 典 型 稳 态
运 行 电 流 值 的 数 倍 。
Tolerance Check 参 数 决 定 系 统 对 换 相 周 期 变 化 的 灵 敏
度 , 单 位 是 百 分 比 。 如 果 两 个 过 零 点 事 件 之 间 的 时 间 超
过 了 之 前 Tolerance Check 百 分 比 定 义 的 时 间 , 则 无 传
感 器 算 法 将 进 入 失 调 状 态 。 电 机 的 迅 速 加 速 或 减 速 可 能
会 导 致 超 出 Tolerance Check 参 数 。 因 此 , 应 该 避 免 将
此 参 数 设 置 为 较 低 的 值 。 将 Tolerance Check 参 数 设 置
为 99% 将 有 效 禁 止 容 差 检 查 。
Rotation Timeout 参 数 决 定 在 起 动 程 序 锁 定 转 子 并 开 始
开 环 加 速 过 程 之 前 应 用 程 序 需 要 等 待 的 时 间 。 当 起 动 电
机 时 , 会 应 用 转 动 超 时 。 因 为 在 起 动 程 序 开 始 时 , 电 机
可 能 已 经 在 转 动 , 所 以 转 动 超 时 是 很 有 用 的 。 如 果 电 机
的 转 速 已 经 可 以 产 生 一 个 足 够 大 的 起 动 反 电 动 势 , 则 采
集 算 法 可 以 确 定 电 机 的 位 置 并 在 超 过 转 动 超 时 延 迟 之 前
转 换 到 无 传 感 器 模 式 。
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故 障 排 除 指 南
本 表 列 出 了 部 分 异 常 的 现 象 , 并 提 供 其 可 能 原 因 的 说
明 。
以 大 写 字 母 ( 例 如 OVER CURRENT) 显 示 的 现 象 指
LCD 上 显 示 的 错 误 消 息 。
如 需 了 解 引 用 参 数 的 信 息 , 请 参 阅 附 录 A:“ 用 户 参
数 ”。
表 4:
现 象 和 原 因
现 象
可 能 原 因
电 机 不 通 电 • 电 机 输 出 接 线 端 不 在 正 确 的 端 子 上 。
• 电 源 模 块 供 电 未 打 开 或 交 换 了 电 线 ( 仅 对 于 DC 电 源 模 块 )。
初 始 锁 定 非 常 不 稳 定 。 • 起 动 给 定 太 高 。
锁 定 后 , 电 机 无 法 开 始 步 进 。 • 初 始 锁 定 序 列 未 成 功 。
• 加 速 开 始 速 度 ( 参 数 #6) 太 高 。
• 加 速 开 始 给 定 ( 参 数 #8) 太 低 。
起 动 期 间 转 子 松 开 锁 定 或 振 荡 • 给 定 不 足 。
• 加 速 开 始 速 度 ( 参 数 #6) 太 高 。
• 加 速 率 太 高 。 加 速 结 束 速 度 ( 参 数 #7) 太 高 和 / 或 加 速 时 间 ( 参 数 #10) 太 短 。
系 统 在 采 用 采 集 方 法 1 时 没 有
在 加 速 期 间 采 集 -FAILED TO
START 或 STALLED 故 障
系 统 在 采 用 采 集 方 法 2 时 没 有
在 加 速 后 无 传 感 器 运 行 -
FAILED TO START 或
STALLED 故 障
• BEMF 不 足 , 无 法 采 集 - 增 加 加 速 结 束 速 度 ( 参 数 #7) 或 修 改 电 压 反 馈 比 例
( 参 数 28 和 29)。
• 未 正 确 调 节 开 始 加 速 参 数 , 过 零 点 不 可 见 。
• 加 速 开 始 速 度 ( 参 数 #6) 造 成 转 动 振 荡 。
• 功 率 模 块 或 控 制 板 未 修 改 或 修 改 错 误 。
• 检 查 S2 是 否 位 于 模 拟 位 置 。
• BEMF 不 足 , 无 法 起 动 - 增 加 加 速 结 束 速 度 ( 参 数 #7) 或 修 改 电 压 反 馈 比 例 电
阻 。
• 采 样 阈 值 ( 参 数 #34) 设 置 太 高 。
• 开 始 加 速 引 起 转 动 振 荡 。
• 功 率 模 块 或 控 制 板 未 修 改 或 错 误 修 改 。
• 检 查 S2 是 否 位 于 模 拟 位 置 。
SENSORLESS LOST • 增 大 容 错 检 查 ( 参 数 #10)
• 确 保 输 入 引 线 没 有 穿 过 控 制 板 。
• 如 果 使 用 速 度 控 制 运 行 , 检 查 速 度 环 是 否 稳 定 或 是 否 发 生 速 度 超 调 过 大 情 况 。
• 如 果 使 用 电 流 控 制 运 行 , 检 查 电 流 控 制 环 是 否 稳 定 。
• 检 查 是 否 使 能 了 自 动 重 新 采 集 。 这 在 迅 速 加 速 / 减 速 时 尤 其 重 要 。
OVER CURRENT • 如 果 使 用 电 压 控 制 , 降 低 给 定 。
• 如 果 使 用 电 流 控 制 , 检 查 电 流 环 是 否 稳 定 。
• 检 查 电 机 接 线 。
• 检 查 S2 是 否 位 于 模 拟 位 置 以 及 反 馈 信 号 接 线 是 否 正 确 。 如 果 在 系 统 第 一 次 运 行 时
S2 的 位 置 不 正 确 , 则 必 须 重 新 复 位 dsPIC 器 件 , 因 为 在 初 始 化 期 间 要 从 母 线 电
流 信 号 读 取 偏 置 值 。
OVER VOLTAGE • 检 查 电 压 给 定 参 数 是 否 正 确 并 且 外 部 制 动 电 阻 是 否 已 连 接 ( 如 有 必 要 )。
• 检 查 电 压 反 馈 比 例 调 节 参 数 。
• 检 查 输 入 电 源 电 压 。
HARDWARE TRIP
• 如 果 电 源 模 块 显 示 SHUNT OVERCURRENT 或 HALL OVERCURRENT LED, 降
低 给 定 值 , 检 查 控 制 环 是 否 稳 定 或 检 查 比 例 调 节 反 馈 参 数 。
• 如 果 过 压 , 检 查 电 压 给 定 ( 参 数 #22) 是 否 正 确 , 以 及 外 部 制 动 电 阻 是 否 已 连 接
( 如 有 必 要 )。
• 检 查 输 入 电 源 电 压 。
• 如 果 过 热 , 降 低 电 机 电 流 或 在 功 率 模 块 散 热 片 上 使 用 风 扇 。
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参 考 读 物
• Modern Power Electronics and AC Drives,
B. Bose, Prentice Hall PTR, ISBN 0130167436
• Electric Motors and Drives, A.Hughes,
Heinemann Newnes, ISBN 0750617411
• Brushless Permanent Magnet and Reluctance
Motor Drives,T. Miller, Oxford Clarendon,ISBN
0198593694
• K. Iizuka et. al, “Microcomputer control for
sensorless brushless motor”, IEEE
Transactions on Industrial Applications, Vol. 21,
No.4 1985,
pp 595-601
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附 录 A:
用 户 参 数
下 表 解 释 了 本 应 用 笔 记 所 述 的 dcPIC30F 无 传 感 器
BLDC 电 机 控 制 应 用 程 序 中 所 用 到 的 参 数 。 许 多 描 述 包
括 有 相 关 提 示 , 可 为 在 具 体 的 应 用 中 使 用 这 些 参 数 提 供
帮 助 。
表 A-1:
用 户 参 数
参 数 名 称 与 parameters.h 文 件 中 和 LCD 所 显 示 文 本 字
符 串 中 的 名 称 一 致 ( 如 “Lock Pos.2 Dem.” 和
“CONTROL MODE”)。
参 数
编 号
参 数 名 称 描 述 缺 省 值
0 DIRECTION DEMAND 决 定 旋 转 方 向 FORWARD
1 CONTROL MODE 决 定 速 度 控 制 方 法 :
3
0 - 闭 环 速 度 控 制 , 速 度 环 输 出 直 接 控 制 PWM 占 空 比 。
1 - 闭 环 速 度 控 制 , 速 度 环 输 出 作 为 电 流 环 给 定 。
2 - 开 环 速 度 控 制 , 通 过 电 位 器 调 节 的 电 压 给 定 直 接 控 制
PWM 占 空 比 。
3 - 开 环 速 度 控 制 , 通 过 电 位 器 调 节 的 电 流 给 定 。
给 定 值 由 电 位 器 VR2 提 供 。
2 Lock Pos.1 Time 第 一 次 开 始 锁 定 的 时 间 , 以 10 ms 为 增 量 100
3 Lock Pos.1 Time 第 二 次 开 始 锁 定 的 时 间 , 以 10 ms 为 增 量 100
4 Lock Pos.1 Dem. 第 一 次 开 始 锁 定 的 百 分 比 给 定 44
5 Lock Pos.1 Dem. 第 二 次 开 始 锁 定 的 百 分 比 给 定 44
6 Ramp Start Speed 开 始 加 速 时 的 速 度 值 (RPM) 20
7 Ramp End Speed 结 束 加 速 时 的 速 度 值 (RPM) 250
8 Ramp Start Dem. 开 始 加 速 的 给 定 百 分 比 % 49
9 Ramp Start Dem. 结 束 加 速 的 给 定 百 分 比 % 50
10 Ramp Duration 加 速 过 程 持 续 时 间 , 增 量 为 10ms 200
11 Phase Adv.Start 相 位 超 前 的 开 始 速 度 , 单 位 为 RPM
1500
提 示 : 适 当 的 相 位 超 前 可 以 提 高 系 统 效 率 , 并 且 能 扩 展 无 传 感
器 控 制 有 效 的 速 度 范 围 。
提 示 : 要 禁 止 相 位 超 前 , 可 以 把 此 参 数 的 值 设 为 高 于 超 速 翻 转
值 。
12 Phase Adv.Slope 相 位 超 前 的 斜 率 , 单 位 为 每 1000 RPM 的 度 数 。
25
例 如 , 如 果 此 值 为 10, 表 明 相 位 超 前 斜 率 为 10°/1000 RPM。
13 Stall Time Limit 静 止 等 待 的 时 间 限 制 , 单 位 为 10 ms。 100
14 Over Speed Limit 超 速 翻 转 值 , 单 位 为 RPM 3300
15 Over Volts Limit 过 电 压 翻 转 值 , 增 量 为 0.1V。 500
16 Over Current Lim 过 电 流 翻 转 值 , 增 量 为 0.1 A。 100
17 Current P Gain 电 流 环 PID 增 益 。 这 些 增 益 可 以 按 比 例 扩 大 , 最 高 为 512 倍 , 900
18 Current I Gain 因 此 可 以 采 用 分 数 表 示 ( 例 如 , 256 = ½)。
100
19 Current D Gain
在 控 制 模 式 1 或 3 下 需 要 调 整 这 些 增 益 。
0
20 Speed P Gain 速 度 环 PI 增 益 。 这 些 增 益 最 高 可 以 按 比 例 扩 大 , 最 高 为
1000
21 Speed I Gain 16384 倍 , 因 此 可 以 采 用 分 数 表 示 ( 例 如 , 8192 = ½)。 10
在 控 制 模 式 0 和 1 下 需 要 调 整 这 些 增 益 。
22 Voltage Demand 放 电 斩 波 器 的 电 压 给 定 。
提 示 : 要 禁 止 放 电 斩 波 器 , 可 以 把 此 参 数 的 值 设 为 高 于 过 电 压
翻 转 值 。
490
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表 A-1: 用 户 参 数 ( 续 )
参 数
编 号
参 数 名 称 描 述 缺 省 值
23 Volts P Gain 放 电 斩 波 器 PI 增 益 。 注 意 到 这 些 增 益 最 高 可 以 扩 大 512 倍 , 10000
24 Volts I Gain 因 此 可 以 采 用 分 数 表 示 ( 例 如 , 256 = ½)。
10
25 No. Motor Poles 电 机 转 子 的 极 数 , 不 是 极 对 数 。 因 此 , 极 数 应 该 是 偶 数 。 这 个 10
参 数 影 响 所 显 示 RPM 值 的 速 度 比 例 。
26 Current Scale X 这 些 参 数 指 定 电 压 和 电 流 反 馈 信 号 的 数 学 比 例 , 取 决 于 硬 件 电 100 †
27 Current Scale / 阻 分 压 器 的 比 值 。 关 于 如 何 设 置 这 些 值 , 请 参 阅 parameters.h 539 †
28 Volts Scale X
文 件 。
100*
29 Voltage Scale / 1305*
30 Tolerance Check 在 系 统 失 速 以 前 过 零 点 时 间 标 记 的 变 化 百 分 比 。 不 能 把 该 值 设 50
为 低 于 10%。 要 禁 止 容 差 检 查 , 将 该 值 设 为 99%。 如 果 需 要
快 速 加 速 / 减 速 , 就 要 增 加 该 值 。
31 Auto Re-acquire 如 果 使 能 , 这 个 参 数 将 使 系 统 在 失 速 状 态 下 自 动 重 新 采 集 。 1
32 Blanking Count 在 换 相 后 禁 止 过 零 检 测 的 PWM 周 期 数 。 在 算 法 开 始 寻 找 过 零 1
点 之 前 , 这 个 延 时 为 非 驱 动 相 中 电 流 的 放 电 提 供 了 时 间 。
33 Zero X Level Thd 用 于 软 件 在 采 样 上 升 沿 翻 转 之 前 , 所 需 要 高 于 或 低 于 ½ VDC 2
的 VPH 采 样 数 。 这 个 参 数 能 在 识 别 到 有 效 的 过 零 点 之 前 , 通 过
让 软 件 检 测 高 于 或 低 于 ½ VDC 参 考 点 的 最 小 采 样 数 , 从 而 使
过 零 检 测 算 法 更 稳 定 。
34 Acquire Threshld 在 采 集 位 置 时 用 于 上 升 沿 检 测 的 AD 值 。 该 值 如 果 为 10, 则 表 10
示 阈 值 电 压 是 50 mV。
本 参 数 值 较 低 时 , 能 在 较 低 BEMF 电 压 ( 速 度 ) 下 采 集 , 但
由 于 噪 声 和 失 调 电 压 的 影 响 系 统 可 能 不 可 靠 。
35 Acquire Level Td 在 确 定 相 电 压 高 于 采 集 阈 值 之 前 , 必 须 小 于 采 集 阈 值 的 相 电 压 6
采 样 数 。 因 为 AD 转 换 器 对 三 相 电 压 进 行 连 续 循 环 采 样 , 此 参
数 的 最 小 值 为 3。
36 Rotation Timeout 系 统 必 须 能 识 别 到 转 动 的 时 间 , 以 使 系 统 能 自 动 采 集 和 开 始 无 5
传 感 器 运 行 , 而 不 是 锁 定 和 加 速 , 增 量 为 10 ms。 设 置 的 时 间
较 长 , 如 果 有 足 够 的 BEMF, 电 机 能 以 较 低 的 速 度 立 即 起 动 。
如 果 设 置 的 时 间 太 长 , 可 能 会 导 致 起 动 失 败 。
37 Pot / for Duty 当 CONTROL MODE = 2 时 , 这 个 参 数 将 电 位 器 AD 读 数 (0- 1
1023) 按 比 例 调 节 为 装 入 PWM 发 生 器 的 占 空 比 值 。 对 于 大 多
数 应 用 , 这 个 值 应 该 保 留 为 1, 提 供 整 个 PWM 范 围 。
38 Pot / for Current 当 CONTROL MODE = 3 时 , 这 个 参 数 将 电 位 器 AD 读 数 (0- 8
1023) 按 比 例 调 节 为 电 流 给 定 值 , 单 位 为 AD 转 换 器 计 数 。
39 Pot X for Speed 当 CONTROL MODE = 0 或 1 时 , 这 个 参 数 将 电 位 器 AD 读 数
(0-1023) 按 比 例 调 节 为 速 度 给 定 值 , 以 RPM 为 单 位 。
3
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表 A-1: 用 户 参 数 ( 续 )
参 数
编 号
参 数 名 称 描 述 缺 省 值
40 Starting Control 当 这 个 参 数 设 置 为 1 时 , 使 用 电 压 控 制 起 动 。 当 设 置 为 0 时 ,
使 用 电 流 控 制 起 动 。
41 Windmilling Dem. 这 个 参 数 适 用 于 起 动 期 间 检 测 到 风 力 旋 转 的 情 况 ( 此 时 , 转 子
运 转 方 向 与 给 定 方 向 相 反 )。 它 设 定 用 于 将 电 机 减 速 至 静 止 状
态 的 电 流 给 定 值 。
42 Braking Ramp T 这 个 参 数 设 置 风 力 旋 转 时 电 机 速 度 减 为 零 所 耗 费 的 时 间 , 增 量
为 10 ms。
43 Acquire Method 当 此 参 数 设 置 为 0 时 , 采 用 采 集 方 法 1 起 动 。 此 参 数 设 置 为 1
时 , 采 用 采 集 方 法 2 起 动 。
44 ZeroX Enable Speed 采 用 采 集 方 法 1 起 动 时 , 这 个 参 数 设 置 使 能 过 零 检 测 时 的 开 环
步 进 速 度 。
† 这 些 参 数 适 用 于 低 电 压 功 率 模 块 。
* 这 些 值 假 设 使 用 低 电 压 功 率 模 块 , 其 中 LK11 和 LK12 开 路 。
1
20
200
1
100
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附 录 B:
源 代 码 清 单
可 以 从 Microchip 网 站 (www.microchip.com) 下 载 最
新 版 本 的 软 件 。 源 代 码 附 于 电 子 版 的 应 用 笔 记 之 后 。 在
编 写 本 应 用 笔 记 时 , 最 新 的 软 件 版 本 是 V3.01。
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AN901
附 录 C:
图 C-1:
主 程 序
程 序 流 程 图
系 统 复 位
复 位 无 效 ?
否
是
清 零
看 门 狗
定 时 器
调 用
外 设 设 置
程 序
PWM LED4
占 空 比 为 20%
复 位 功 率 模 块 并 初
始 化 LCD
设 置 陷 阱
和 中 断
run_state = INITIALIZE
初 始 化 与 用 户 参 数 有
关 的 变 量
清 零
看 门 狗
定 时 器
调 用
medium_event_handler
软 件 主 程 序 循 环
调 用
slow_event_handler
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AN901
图 C-2:
中 等 事 件 处 理 程 序
开 始
medium_event_count ==
10 ms?
是
否
medium_event_count = 0
调 用 debounce_switches
计 算 转 子 速 度
禁 止 通 电
run_state = FAULT
置 位 trip_state
是
超 速 或
停 转 ?
否
计 算 相 位
超 前
调 用 speed_loop
是
无 传 感 器 运 转 ?
否
调 用 voltage_control
调 用 starting_code
是
系 统 起 动 ?
否
结 束
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图 C-3:
起 动 代 码
开 始
注 :
ROTATION_CHECK == TRUE 表
明 是 首 次 调 用 starting_code。
ROTATION_CHECK
== TRUE?
是
ROTATION_CHECK 清 零 , 强
制 系 统 采 集 ( 方 法 2), 初 始 化
各 种 标 志 位 和 变 量 , 并 装 载
Rotation_Timer
否
否
系 统 采 集
( 方 法 2)?
rotation_timer > 0?
是
rotation_timer–
否
风 力 旋 转
制 动 ?
是
逐 渐 降 低 开 环 换 相 频 率 至
零
否
第 一 次 锁 定 有 效 ?
否
是
换 相 调 制 段 0 对 电 机 通
电 , 并 减 少 starting_timer
注 :
如 果 采 用 方 法 1 采 集 , 那 么 系
统 应 在 加 速 结 束 之 前 采 集 , 而
且 停 止 调 用 起 动 代 码 。
第 二 次 激 锁 活 定 ? 有 效 ?
否
是
根 据 给 定 方 向 换 相 调 制 给
电 机 通 电 , 并 减 少
starting_timer
达 到 加 速
结 束 ?
否
提 高 输 出 频 率 和 电 压 , 以
匹 配 用 户 定 义 的 参 数
是
禁 止 导 通
run_state = FAULT
trip = failed to start
是
采 集
方 法 1?
否
采 集
方 法 1?
是
否
禁 止 通 电 并 强 制 系 统 通 过
方 法 2 采 集
输 出 频 率
> zero X 使 能
频 率 ?
是
否
允 许 zero X 检 测
结 束
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AN901
图 C-4:
慢 速 事 件 处 理 程 序
开 始
slow_event_count
== 100ms?
否
是
筛 选 要 显
示 的 变 量
调 用 process_switches
调 用 screen_handler
medium_event_count = 0
结 束
图 C-5:
PWM 中 断 服 务 程 序
开 始
slow_event_count++
medium_event_count++
PWM 中 断 标 志 位 清 零
结 束
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AN901
图 C-6:
ADC 中 断 服 务 程 序
开 始
ADC 中 断 标 志 清 零
将 CH0 结 果 存 储 到 正 确
的 相 电 压 变 量 中 , 并 写 入
ADCHS 以 采 样 下 一 个
VPH
是
通 过 方 法 2
采 集 ?
否
将 CH0 存 储 到 通 用
相 电 压 变 量 中
将 CH1、CH2 和 CH3 结 果
存 储 于 VDC、IBUS
和 POT 变 量 中
系 统 处 于
错 误 状 态 ?
是
否
过 电 压 或 者
过 电 流 ?
否
是
禁 止 通 电
run_state = FAULT
置 位 trip_state
调 用 current_control
写 入 ADCHS
是
改 变 VPH
反 馈 ?
否
调 用 acquire_position
是
通 过 方 法 2
采 集 ?
否
调 用 check_zero_crossing
是
无 传 感 器
运 转 或 者 使 用
方 法 1 采 集 ?
否
结 束
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AN901
图 C-7: 采 集 位 置 ( 方 法 2)
开 始
注 :
ADCCONFIG == TRUE 表 明 采
集 刚 起 动 或 重 新 起 动 。
ADCCONFIG
== TRUE?
否
是
ADCCONFIG 清 零 。 初 始 化
多 个 变 量 和 标 志 位 以 备 采 集
使 用 。 如 果 是 第 一 次 采 集 则
装 载 retry_counter。
注 :
自 此 开 始 假 定 为 RED 相 代 码 。
另 外 两 部 分 代 码 仅 在 方 向 和 段
检 测 逻 辑 及 写 入 标 志 方 面 有 所
区 别 。
retry_counter = 0?
否
实 际 值 > X VPH
采 样 值 < VTH?
是
X = Acquire Level Th 参 数
否
run_state = FAULT
trip_state = FAILED_TO_START
先 前 的
以 及 当 前 的 VPH
和 VTH
VTH = Acquire_Threshold 参 数
否
是
从 QEI 计 数 器 POSCNT 读 取
时 间 标 记
RED 标 志
置 位 ?
否
是
RETRY_flag = TRUE
if(retry_counter > 0)
retry_counterñ
ADCCONFIG = TRUE
是
BLUE 标 志
置 位 ?
更 新 位 置 段
计 算 较 先 前 的 时 间 增 量
计 算 周 期 量 并 复 位 停 转
计 数 器
是
否
YELLOW 标 志
置 位 ?
否
保 存 时 间 标 记
RED = TRUE
BLUE 和 YELLOW 代 码
保 存 VPH 采 样
Demanded DIR
== DIR?
是
太 快 以 至 于 不 能 开 始
无 传 感 器 运 转 ?
是
置 位 标 志 以 使 系 统
重 新 采 集
否
置 位 WINDMILLING 标
志 。 在 当 前 速 度 下 制 动
通 电 的 开 环 换 相 电 机
重 建 Zero X
先 前 的 时 间 标 记
置 位 标 志 以 切 换 到 无 传 感 器 运
转 并 强 制 T2 中 断
= 过 零 点 事 件
结 束
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AN901
图 C-8:
检 测 过 零 点
开 始
注 :
ADCCONFIG == TRUE 表 明
刚 出 现 一 次 换 相 。
ADCCONFIG
== TRUE?
是
清 零 ADCCONFIG。
为 检 测 下 一 个 过 零 点 初 始
化 多 个 变 量 和 标 志 。
装 载 blanking_counter–
否
blanking_counter
> 0?
是
blanking_counter
否
注 :
从 此 处 开 始 假 设 sector = 0。 因
此 , 对 VPH 进 行 下 降 沿 检 测 。 其
它 段 的 不 同 之 处 在 于 边 沿 检 测 的
斜 率 。 当 完 成 周 期 检 测 时 , 段 0
的 代 码 也 是 唯 一 的 。
充 足 的 VPH
采 样 > VDC/2?
是
否
先 前 的
和 当 前 的 VPH
1?
禁 止 通 电
自 动
重 新 采 集 ?
是
否
是
系 统
失 速 ?
run_state = FAULT
trip_state = LOST
否
是
用 换 相 时 间
装 载 PR2
并 允 许 T2 中 断
保 存 时 间 标 记 及
时 间 增 量
置 位 标 志 以 使 系 统
重 新 使 用 方 法 2
采 集
保 存 VPH 采 样
结 束
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AN901
图 C-9:
TIMER 2 中 断 服 务 程 序
如 果 在 先 前 的 段 中 未 检 测 到 过
零 点 , 则 置 位 ADCCONFIG
标 志 。
then
{
reset
acquire_counter
load
check_counter
置 位 SENSORLESS 标 志
清 零 SWAP 标 志 。
装 载 check_counter 以 便 第 一
个 电 周 期 时 禁 止 容 差 检 查 。
是
是
开 始
通 过 方 法 1 采
集 ?
否
请 求 通 过 方 法 1 采
集 ?
否
切 换 为 无 传
感 器 运 转 ?
是
置 位 ACQUIRE1 标 志
置 位 ADCCONFIG 标
志
复 位 acquire_counter
装 载 check_counter
否
check_counterñ
是
check_counter > 0?
否
装 载 新 的 换 相 时 间 到
PR2 并 复 位 TMR2
否
无 传 感 器 运
转 ?
是
用 下 一 个 段 的 值 装 载
OVDCON
用 下 一 个 ACHCHS 值 装
载 adc_channel_config
置 位 ADCCONFIG 标 志
禁 止 T2 中 断
是
无 传 感 器 运
转 ?
否
方 法 1 采
集 ?
否
是
更 新 段
清 零 T2 中 断 标 志
结 束
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AN901
附 录 D:
三 角 形 连 接 电 机
在 Y 形 连 接 的 三 相 电 路 中 , 三 相 电 流 的 和 必 须 始 终 等 于
零 , 对 电 压 则 没 有 限 制 。 三 角 形 连 接 电 路 正 好 与 此 相
反 , 三 相 电 压 的 和 必 须 为 零 , 对 电 流 则 没 有 限 制 。 如 果
在 三 角 形 连 接 电 路 中 电 压 不 平 衡 , 则 三 角 形 内 会 有 电 流
流 通 , 使 得 绕 组 上 会 有 多 余 的 压 降 。 这 将 引 起 额 外 的 电
阻 损 耗 , 显 然 应 该 避 免 。 对 于 电 机 来 说 , 任 何 流 通 电 流
都 将 导 致 生 成 额 外 的 制 动 转 矩 , 引 起 额 外 的 电 阻 损 耗 。
流 通 电 流 的 幅 值 取 决 于 电 压 不 平 衡 的 幅 度 和 相 绕 组 的 阻
抗 。
对 于 BLDC 电 机 , 限 制 相 矢 量 不 平 衡 会 直 接 影 响 三 角 形
连 接 电 机 BEMF 波 形 的 形 状 。 这 是 因 为 任 何 “3n”( 其
中 n = 1,2,3……) 次 谐 波 都 将 是 同 相 的 , 累 加 起 来 导
致 电 压 不 平 衡 。 假 设 梯 形 波 形 本 身 包 含 实 际 的 三 次 谐
波 , 显 然 三 角 形 连 接 的 BLDC 通 常 不 会 有 梯 形 BEMF。
只 有 在 非 常 小 的 电 机 中 , 因 为 每 相 阻 抗 非 常 高 , 限 制 了
流 通 电 流 的 大 小 及 由 此 产 生 的 损 耗 , 这 种 情 况 才 不 会 发
生 。 假 定 不 是 这 种 情 况 , 则 可 以 假 设 三 角 形 连 接 BLDC
的 BEMF 波 形 为 正 弦 曲 线 。 虽 然 使 用 常 规 BLDC 通 电 仍
可 运 转 , 但 是 转 矩 脉 动 将 会 增 加 。
了 解 了 以 上 内 容 后 , 接 下 来 我 们 将 考 虑 三 角 形 连 接 电 机
对 过 零 BEMF 算 法 的 影 响 。 对 于 三 角 形 连 接 方 式 , 所 有
三 相 中 都 有 电 流 流 动 , 但 任 一 时 刻 仅 有 两 相 被 驱 动 。
如 图 D-1 所 示 , 其 中 R 相 和 B 相 输 出 由 逆 变 器 驱 动 。
图 D-1:
z
电 机 三 角 形 连 接 方 式
=
如 果 BEMF RY 为 正 ,BEMF YB 为 负 , 且 Q1/Q6 导 通 ,
这 就 相 当 于 前 面 给 出 的 标 准 Y 型 连 接 换 相 图 中 的 段 1。
等 价 的 正 弦 BEMF 图 如 下 所 示 。
图 D-2: 正 弦 BEMF
定
S
标 值 : 5 0 1 2 3 4 5
1
反 电 动 势 幅 值
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
30 90 150 210 270 330
电 角 / 电 角 度
请 记 住 三 个 BEMF 电 压 和 始 终 等 于 零 , 在 一 段 的 中 间 ,
不 通 电 端 的 测 量 电 压 将 是 ½ VDC。 这 是 因 为 在 这 段 的 这
点 上 , 其 中 一 个 BEMF 为 零 , 其 他 两 个 则 数 量 相 等 而 方
向 相 反 。 这 与 Y 型 连 接 电 机 正 好 相 同 。 此 外 , 此 点 对 应
于 换 相 到 下 一 个 通 电 模 式 的 正 确 点 。
总 之 , 尽 管 在 BEMF 波 形 和 相 导 通 方 式 上 存 在 实 质 的 差
别 , 但 是 在 不 修 改 代 码 的 情 况 下 , 三 角 形 连 接 电 机 应 该
可 以 正 常 运 行 。
Q1
Q4
R
z
z
Y
z
Q3
B
Q6
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AN901
附 录 E:
PID 控 制 器 背 景 知 识
全 面 讨 论 比 例 积 分 微 分 (PID) 控 制 器 超 出 了 本 文 范 围 ,
这 一 部 分 将 尝 试 提 供 一 些 有 关 调 节 控 制 器 的 指 导 信 息 。
PID 控 制 器 响 应 闭 合 控 制 环 中 的 差 值 信 号 , 并 尝 试 调 节
控 制 量 , 来 实 现 期 望 的 系 统 响 应 。 被 控 参 数 可 以 是 任 何
可 测 量 的 系 统 量 , 例 如 速 度 、 电 压 、 电 流 或 股 价 。 PID
控 制 器 的 输 出 可 以 控 制 一 个 或 多 个 将 影 响 受 控 系 统 量 的
系 统 参 数 。 例 如 , 此 应 用 中 的 速 度 控 制 环 可 以 直 接 控 制
PWM 占 空 比 , 也 可 以 设 置 内 部 控 制 环 的 电 流 给 定 , 来
调 节 电 机 电 流 。PID 控 制 器 的 好 处 是 可 以 通 过 调 整 一 个
或 多 个 增 益 值 并 观 察 系 统 响 应 的 变 化 , 凭 经 验 进 行 调
节 。
数 字 PID 控 制 器 以 周 期 性 采 样 间 隔 执 行 , 假 设 控 制 器 的
执 行 频 率 足 够 高 , 足 以 正 确 地 控 制 系 统 。 例 如 , 因 为 电
机 电 流 变 化 非 常 迅 速 , 所 以 本 应 用 中 的 电 流 控 制 器 会 每
个 PWM 周 期 执 行 一 次 。 由 于 机 械 时 间 常 数 的 原 因 , 电
机 速 度 变 化 相 对 较 慢 , 所 以 此 应 用 中 的 速 度 控 制 器 以 中
等 事 件 速 率 (100 Hz) 执 行 。
图 13 是 PID 算 法 的 框 图 。 用 被 控 参 数 的 实 际 测 量 值 减
去 该 参 数 的 期 望 设 置 值 就 得 到 差 值 信 号 。 差 值 的 符 号 表
示 控 制 输 入 所 要 求 的 变 化 方 向 。 差 值 信 号 乘 以 P 增 益 ,
就 得 到 控 制 器 的 比 例 (P) 项 。 这 将 导 致 PID 控 制 器 产
生 一 个 控 制 响 应 , 该 响 应 是 差 值 幅 度 的 一 个 函 数 。 随 着
差 值 信 号 的 增 大 , 控 制 器 的 P 项 也 增 大 , 以 提 供 更 多 的
修 正 。
P 项 的 效 果 通 常 是 随 时 间 的 推 移 减 小 总 误 差 。 但 是 , 当
错 误 趋 向 零 时 ,P 项 的 影 响 也 将 减 弱 。 在 大 部 分 系 统 中 ,
受 控 参 数 的 差 值 将 变 得 非 常 接 近 零 , 但 不 会 等 于 零 。 结
果 会 得 到 一 个 较 小 的 剩 余 稳 态 误 差 。 控 制 器 的 积 分 (I)
项 用 于 修 正 较 小 的 稳 态 误 差 。 I 项 获 取 连 续 累 积 的 差 值
信 号 总 和 。 这 样 , 一 段 时 间 后 小 稳 态 误 差 会 累 积 成 为 较
大 的 差 值 。 此 累 积 差 值 信 号 乘 以 一 个 I 增 益 因 子 , 就 得
到 PID 控 制 器 的 I 输 出 项 。
PID 控 制 器 的 微 分 (D) 项 用 于 提 高 控 制 器 的 速 度 并 响
应 差 值 信 号 的 变 化 率 。D 项 输 入 是 从 前 一 个 差 值 减 去 当
前 差 值 得 到 的 。 此 增 量 差 值 乘 以 一 个 D 增 益 因 子 , 就 得
到 PID 控 制 器 的 D 输 出 项 。 系 统 误 差 变 化 越 快 , 控 制 器
D 项 产 生 的 控 制 输 出 也 就 越 大 。
应 该 注 意 的 是 , 不 是 所 有 的 PID 控 制 器 都 会 实 现 D 项 ,
还 有 些 控 制 器 甚 至 不 会 实 现 I 项 。 例 如 , 因 为 电 机 速 度
变 化 的 响 应 时 间 非 常 慢 , 本 应 用 中 的 速 度 控 制 器 就 没 有
D 项 。 在 这 种 情 况 下 , D 项 可 能 会 造 成 PWM 占 空 比 变
化 过 多 , 这 可 能 影 响 无 传 感 器 算 法 的 执 行 并 产 生 过 电 流
翻 转 。
图 13:
PID 控 制 器
比 例 增 益
累 积
差 值
X
积 分
增 益
设 定 点
+
差 值
S ð S X S
-
上 一 个 差 值 微 分 增 益
-
+
S X
控 制 器
输 出
受 控
系 统
ð
系 统
输 出
系 统 反 馈
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AN901
E.1 调 节 PID 增 益
PID 控 制 器 的 P 增 益 将 设 置 整 个 系 统 的 响 应 。 在 第 一 次
调 节 控 制 器 时 , I 增 益 和 D 增 益 都 应 该 设 置 为 零 。 然 后
可 以 增 加 P 增 益 , 直 到 系 统 能 够 很 好 地 响 应 设 定 点 的 变
化 , 且 没 有 出 现 过 多 的 过 冲 或 振 荡 。 使 用 较 低 的 P 增 益
值 会 较 “ 松 ” 地 控 制 系 统 , 而 较 高 的 值 则 会 较 “ 紧 ” 地
控 制 系 统 。 目 前 , 系 统 可 能 不 会 达 到 设 定 点 。
在 选 定 了 合 理 的 P 增 益 之 后 , 可 以 缓 慢 增 加 I 增 益 使 系
统 误 差 值 为 零 。 大 多 数 系 统 都 只 要 求 少 量 的 I 增 益 。 注
意 I 增 益 所 造 成 的 影 响 , 它 如 果 足 够 大 , 就 会 抵 消 P 项
的 作 用 、 减 缓 整 体 控 制 响 应 , 并 使 系 统 在 设 定 点 附 近 振
荡 。 如 果 出 现 这 种 现 象 , 减 少 I 增 益 并 增 加 P 增 益 通 常
可 以 解 决 问 题 。
在 设 置 好 P 和 I 增 益 以 后 , 就 可 以 设 置 D 增 益 了 。D 项
可 以 加 速 控 制 改 变 的 响 应 , 但 是 应 当 谨 慎 使 用 , 因 为 它
会 使 控 制 器 输 出 发 生 非 常 快 速 的 变 化 。 这 种 现 象 称 为
“ 设 定 点 跳 变 ” 。 当 控 制 设 定 点 改 变 时 系 统 误 差 的 差 分
瞬 间 变 得 非 常 大 , 就 会 出 现 设 定 点 跳 变 。 在 某 些 情 况
下 , 会 损 坏 系 统 硬 件 。 如 果 D 增 益 设 置 为 零 时 系 统 响 应
可 以 接 受 , 就 可 以 忽 略 D 项 。
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AN901
注 :
DS00901A_CN 第 34 页
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请 注 意 以 下 有 关 Microchip 器 件 代 码 保 护 功 能 的 要 点 :
• Microchip 的 产 品 均 达 到 Microchip 数 据 手 册 中 所 述 的 技 术 指 标 。
• Microchip 确 信 : 在 正 常 使 用 的 情 况 下 , Microchip 系 列 产 品 是 当 今 市 场 上 同 类 产 品 中 最 安 全 的 产 品 之 一 。
• 目 前 , 仍 存 在 着 恶 意 、 甚 至 是 非 法 破 坏 代 码 保 护 功 能 的 行 为 。 就 我 们 所 知 , 所 有 这 些 行 为 都 不 是 以 Microchip 数 据 手 册 中 规 定 的 操
作 规 范 来 使 用 Microchip 产 品 的 。 这 样 做 的 人 极 可 能 侵 犯 了 知 识 产 权 。
• Microchip 愿 与 那 些 注 重 代 码 完 整 性 的 客 户 合 作 。
• Microchip 或 任 何 其 它 半 导 体 厂 商 均 无 法 保 证 其 代 码 的 安 全 性 。 代 码 保 护 并 不 意 味 着 我 们 保 证 产 品 是 “ 牢 不 可 破 ” 的 。
代 码 保 护 功 能 处 于 持 续 发 展 中 。 Microchip 承 诺 将 不 断 改 进 产 品 的 代 码 保 护 功 能 。 任 何 试 图 破 坏 Microchip 代 码 保 护 功 能 的 行 为 均 可 视
为 违 反 了 《 数 字 器 件 千 年 版 权 法 案 (Digital Millennium Copyright Act)》。 如 果 这 种 行 为 导 致 他 人 在 未 经 授 权 的 情 况 下 , 能 访 问 您 的 软
件 或 其 它 受 版 权 保 护 的 成 果 , 您 有 权 依 据 该 法 案 提 起 诉 讼 , 从 而 制 止 这 种 行 为 。
本 出 版 物 中 所 述 的 器 件 应 用 信 息 及 其 它 类 似 内 容 仅 为 建 议 , 它
们 可 能 由 更 新 之 信 息 所 替 代 。 确 保 应 用 符 合 技 术 规 范 , 是 您 自
身 应 负 的 责 任 。Microchip Technology Inc. 不 会 就 这 些 信 息 的
准 确 性 或 使 用 方 式 作 出 任 何 陈 述 或 保 证 , 也 不 会 对 因 使 用 或 以
其 它 方 式 处 理 这 些 信 息 而 引 发 的 侵 犯 专 利 或 其 它 知 识 产 权 的 行
为 承 担 任 何 责 任 。 未 经 Microchip 书 面 批 准 , 不 得 将 Microchip
的 产 品 用 作 生 命 维 持 系 统 中 的 关 键 组 件 。 在 知 识 产 权 保 护 下 ,
不 得 暗 中 或 以 其 它 方 式 转 让 任 何 许 可 证 。
商 标
Microchip 的 名 称 和 徽 标 组 合 、 Microchip 徽 标 、 Accuron、
dsPIC、 KEELOQ、 microID、 MPLAB、 PIC、 PICmicro、
PICSTART、 PRO MATE、 PowerSmart、 rfPIC 和
SmartShunt 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 它 国 家
或 地 区 的 注 册 商 标 。
AmpLab、 FilterLab、 MXDEV、 MXLAB、 PICMASTER、
rfPIC、 SEEVAL、 SmartSensor 和 The Embedded Control
Solutions Company 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的
注 册 商 标 。
Analog-for-the-Digital Age、 Application Maestro、
dsPICDEM、 dsPICDEM.net、 dsPICworks、 ECAN、
ECONOMONITOR、 FanSense、 FlexROM、 fuzzyLAB、
In-Circuit Serial Programming、 ICSP、 ICEPIC、
Migratable Memory、 MPASM、 MPLIB、 MPLINK、
MPSIM、 PICkit、 PICDEM、 PICDEM.net、 PICLAB、
PICtail、 PowerCal、 PowerInfo、 PowerMate、
PowerTool、 rfLAB、 rfPICDEM、 Select Mode、 Smart
Serial、 SmartTel 和 Total Endurance 均 为 Microchip
Technology Inc. 在 美 国 和 其 它 国 家 或 地 区 的 商 标 。
SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 服 务 标 记 。
在 此 提 及 的 所 有 其 它 商 标 均 为 各 持 有 公 司 所 有 。
© 2004, Microchip Technology Inc。 版 权 所 有 。
Microchip 位 于 美 国 亚 利 桑 那 州 Chandler 和 Tempe 及 位 于 加 利 福 尼 亚 州
Mountain View 的 全 球 总 部 、 设 计 中 心 和 晶 圆 生 产 厂 均 于 2003 年 10 月 通
过 了 ISO/TS-16949:2002 质 量 体 系 认 证 。 公 司 在 PICmicro ® 8 位 单 片
机 、 KEELOQ ® 跳 码 器 件 、 串 行 EEPROM、 单 片 机 外 设 、 非 易 失 性 存 储
器 和 模 拟 产 品 方 面 的 质 量 体 系 流 程 均 符 合 ISO/TS-16949:2002。 此 外 ,
Microchip 在 开 发 系 统 的 设 计 和 生 产 方 面 的 质 量 体 系 也 已 通 过 了 ISO
9001:2000 认 证 。
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美 洲
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