电机控制应用方案

文章摘要：一电机驱动中采用微控制器的优点节电已成为环境保护浪潮中的重要一环。在家电和工业控制中所使用的电动机驱动系统是耗电大户，其中大多数电机通常工作在非控方式，因而效率很低。随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，使变速驱动变得更加现实且成本更低。目前，变速驱动不仅在特殊专用及大功率/高效率的工业控制如机床。升降机中使用，而且越来越多地应用到家用电器中，如洗衣机、压缩机、小电泵、空调器等。这些由微控制器的高精密算法控制的驱动方式为各种应用带来了许多的优点：系统效率提高-变速控制可降低电机的无用功率。性能改善-数字控制方式可实现多种功能，如智能数字闭环控制，变频频率波形速形，故障容忍，及同

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一　电机驱动中采用微控制器的优点

　　节电已成为环境保护浪潮中的重要一环。在家电和工业控制中所使用的电动机驱动系统是耗电大户，其中大多数电机通常工作在非控方式，因而效率很低。随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，使变速驱动变得更加现实且成本更低。目前，变速驱动不仅在特殊专用及大功率/高效率的工业控制如机床。升降机中使用，而且越来越多地应用到家用电器中，如洗衣机、压缩机、小电泵、空调器等。这些由微控制器的高精密算法控制的驱动方式为各种应用带来了许多的优点：系统效率提高-变速控制可降低电机的无用功率。

性能改善-数字控制方式可实现多种功能，如智能数字闭环控制，变频频率波形速形，故障容忍，及同其它系统进行通讯等。

　　机电能量转换简化-变速驱动可避免使用转换器，变速箱等。

软件升级简单-由于具有闪速存储器的微控制器系统，可根据需要迅速地改变算法和控制变量。

随着变速驱动的引入，系统的复杂程度也将相应增加。但在各种具体应用中，一个基本的要求就是总成本必须控制在一个合理的范围内。在大多数系统中，特别是家用电器，总成本必须同非控系统价格相当。

　　本文主要介绍采用摩托罗拉单片机实现低成本三相交流电机，三相直流无刷电机和通用电机的控制设计实例。

二　无传感器的相位角通用电机驱动

　　基于MC68HC05JJ6/MC68HC705JJ7单片机和MAC4DC可控硅的低成本相位角电机控制驱动系统示于图1。低成本单相功率控制板专门适用于转速从3000rpm到10000rpm的通用无刷电机。目前此类电机广泛用作家用电器中的马达，例如：真空吸尘器、洗碗机、手持电动工具及食品加工机。其工作模式为闭环调速。相对于常用的在电机轴上加装转速计的方案，所述电路则为一个无转速计的方案，转速的测量是由单片机没量电机电流来间接完成的。

无传感器相位角驱动

　　电路的设计充分利用了单片机的资源从而使其原理图相当简单。这种低成本的单片机功能很强，足以完成驱动闭环无传感器相位角控制系统的所有工作。所有的功能仅由两种集成电路及很少的外围器件即可完成。因而使之成为电路板设计紧凑，且具有很好经济性的方案。

这种设计的目的之一就是要在不使用转速计的情况下实现通用电机的低成本环速度控制。

应特别注意的是电流检测和计算。因为此信号对无传感器算法十分重要。因此应选用具有非接地输入和高噪声抑制的差分运放。

无传感器算法

通用电机由可控硅制驱动时必须分成两相：a)当可控硅关断时，i=0

b)当可控硅开启时，v=e+z.i

式中

e=反电动势（bemf)k.i.Ω

z=电机阻抗r+j.L.ω

ω=主频

Ω=电机速度

k=电机常数

r=线圈电阻

v=（kΩ+r).i+j.L.ω.i

Saber模拟模型可用来计算所有必要的算式及运行虚拟的无传感器相位角通用电机系统。这里从它的数据库中引用了一个标准的通用电机模型（dc_srs.sim)，并根据一个200瓦的通用电机参数进行了标定。

从模拟结果可证明，在交流过零点时检测的电流ito，除最大启动延迟为8ms情况下，仅跟转速有关。如果转速高于3000rpm，且启动延迟小于8.5ms，交流过零时的电流，对应给定的速度下，在较宽范围的负载变化时均为一常数。如果转速低于3000rpm，或启动延迟时间大于8.5ms，则需要修正。

控制特性

　　根据模拟结果，可对速度和电流的关系进行测量。在程序中可利用此特点，对应一种速度确定一个电流值。在无传感器相位角算法中，最重要的一点是电机的特性要好。电流必须在一固定启动延迟和一个合理的速度范围内，在过零点时进行测量。

　　单片机的使用

可用容量 存储器 已用容量

224字节 SRAM 43字节

6.1K字节 EPROM 1.5K字节

　　测试是利用一个200瓦的通用电机通过一个变速箱进行的。其结果是在启动后，当负载在10%幅度内变化时，其速率可保持恒定不变。

同时也做了负载变化90%情况的试验。在此情况下，速度降低1秒后，控制器便能使其恢复，并保持恒定。

三　基于MC68HC908MR24的低成本三相交流电机控制系统

　　这是一个建立于摩托罗拉的专门应用于电机控制的MC68HC908MR24单机基础上的低成本三相交流电机驱动设计实例。可适用于风扇、压缩机、泵、空调或其它类型的应用中。在此类应用时，系统的总成本是基本的要求而并不强求电机具有优异的动态特性。

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