Бесколлекторные электродвигатели (стр. 2 из 3)
Таблица 1. Коммутация ключей по часовой стрелке
| Значение датчиков Холла (Hall_CBA) | Фаза | Ключи |
| 101 | A-B | SW1; SW4 |
| 001 | A-C | SW1; SW6 |
| 011 | B-C | SW3; SW6 |
| 010 | B-A | SW3; SW2 |
| 110 | C-A | SW5; SW2 |
| 100 | C-B | SW1; SW4 |
У двигателей с несколькими полями электрическое вращение не соответствует механическому вращению. Например, у четырехполюсных БКЭПТ четыре цикла электрического вращения соответствуют одному механическому вращению.
От силы магнитного поля зависит мощность и частота вращения двигателя. Регулировать частоту вращения и вращающий момент двигателя можно за счет изменения тока через обмотки. Наиболее распространенный способ управления током через обмотки является управление средним током. Для этого используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), рабочий цикл которой определяет среднее значение напряжения на обмотках, а, следовательно, и среднее значение тока и, как следствие, частоту вращения. Скорость может регулироваться при частотах от 20 до 60 кГц.
Вращающееся поле трехфазного, трехобмоточного БКЭПТ показано на рисунке 5.
Рисунок 5. Ступени коммутации и вращающееся поле
Процесс коммутации создает вращающееся поле. На ступени 1 фаза А подключается к положительной шине питания ключом SW1, фаза В подключается к общему с помощью ключа SW4, а фаза С остается неподключенной. Фазами А и В создаются два вектора магнитного потока (показаны красной и синий стрелками, соответственно), а сумма этих двух векторов дает вектор магнитного потока статора (зеленая стрелка). После этого ротор пытается следовать магнитному потоку. Как только ротор достигает некоторого положения, в котором изменяется состояние датчиков Холла со значения "010" на "011", выполняется соответствующим образом переключение обмоток двигателя: фаза В остается незапитанной, а фаза С подключается к общему. Это приводит к генерации нового вектора магнитного потока статора (ступень 2).
Если следовать схеме коммутации, показанной на рисунке 3 и в таблице 1, то получим шесть различных векторов магнитного потока, соответствующих шести ступеням коммутации. Шесть ступеней соответствуют одному обороту ротора.
Стартовый набор ATAVRMC100
В следующей части данных рекомендаций по применению будет рассмотрена аппаратная и программная реализация на основе стартового набора ATAVRMC100 с микроконтроллером AT90PWM3.
Принципиальная электрическая схема представлена на рисунках 21, 22, 23 и 24 в конце документа.
Программа содержит контур управления скоростью с помощью ПИД-регулятора. Такой регулятор состоит из трех звеньев, каждый из которых характеризуется собственным коэффициентом передачи: Kп, Kи и Kд.
Кп - коэффициент передачи пропорционального звена, Kи - коэффициент передачи интегрирующего звена и Kд - коэффициент передачи дифференцирующего звена. Отклонение заданной скорости от фактической (на рисунке 6 называется "сигнал рассогласования") обрабатывается каждым из звеньев. Результат данных операций складывается и подается на двигатель для получения требуемой частоты вращения (см. рисунок 6).
Рисунок 6. Структурная схема ПИД-регулятора
Коэффициент Кп влияет на длительность переходного процесса, коэффициент Ки позволяет подавить статические ошибки, а Кд используется, в частности, для стабилизации положения (см. описание контура управления в архиве с программным обеспечением для изменения коэффициентов).
Описание аппаратной части
Как показано на рисунке 7 микроконтроллер содержит 3 контроллера силового каскада (PSC). Каждый PSC можно рассматривать как широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с двумя выходными сигналами. Во избежание возникновения сквозного тока PSC поддерживает возможность управления задержкой неперекрытия силовых ключей (см. документацию на AT90PWM3 для более детального изучения работы PSC, а также рисунок 9).
Аварийный вход (Over_Current, токовая перегрузка) связан с PSCIN. Аварийный вход разрешает микроконтроллеру отключить все выходы PSC.
Рисунок 7. Аппаратная реализация
Для измерения тока можно использовать два дифференциальных канала с программируемым усилительным каскадом (Ку=5, 10, 20 или 40). После выбора коэффициента усиления необходимо подобрать номинал шунтового резистора для наиболее полного охвата диапазона преобразования.
Сигнал Over_Current формируется внешним компаратором. Пороговое напряжение компаратора можно регулироваться с помощью внутреннего ЦАП.
Переключение фаз должно выполняться в соответствии со значением на выходах датчиков Холла. ДХ_A, ДХ_B и ДХ_C подключаются к входам источников внешних прерываний или к трем внутренним компараторам. Компараторы генерируют такой же тип прерываний, что и внешние прерывания. На рисунке 8 показано, как используются порты ввода-вывода в стартовом наборе.
Рисунок 8. Использование портов ввода-вывода микроконтроллера (корпус SO32)
VMOT (Vдв.) и VMOT_Half (1/2 Vдв.) реализованы, но не используются. Они могут использоваться для получения информации о напряжении питания двигателя.
Выходы H_x и L_x используются для управления силовым мостом. Как было сказано выше, они зависят от контроллера силового каскада (PSC), который генерирует ШИМ-сигналы. В таком применении рекомендуется использовать режим с выравниванием по центру (см. рисунок 9), когда регистр OCR0RA используется для синхронизации запуска преобразования АЦП для измерения тока.
Рисунок 9. Осциллограммы сигналов PSCn0 и PSCn1 в режиме с выравниванием по центру
- Время вкл. 0 = 2 * OCRnSA * 1/Fclkpsc
- Время вкл. 1 = 2* (OCRnRB - OCRnSB + 1) * 1/Fclkpsc
- Период PSC = 2 * (OCRnRB + 1) * 1/Fclkpsc
Пауза неперекрытия между PSCn0 и PSCn1:
- |OCRnSB - OCRnSA| * 1/Fclkpsc
Блок PSC тактируется сигналов CLKPSC.
Для подачи ШИМ-сигналов в силовой каскад может использоваться один из двух способов. Первый заключается в приложении ШИМ-сигналов к верхним и нижним частям силового каскада, а второй - в приложении ШИМ-сигналов только к верхним частям.
Описание программного обеспечения
Atmel разработала библиотеки для управления БКЭПТ. Первый шаг их использования заключается в конфигурации и инициализации микроконтроллера.
Конфигурация и инициализация микроконтроллера
Для этого необходимо использовать функцию mc_init_motor(). Она вызывает функции инициализации аппаратной и программной части, а также инициализирует все параметры двигателя (направление вращения, частота вращения и останов двигателя).
Структура программной реализации
После конфигурации и инициализации микроконтроллера может быть выполнен запуск двигателя. Для управления двигателем необходимо только несколько функций. Все функции определены в mc_lib.h:
void mc_motor_run(void)
- Используется для запуска двигателя. Вызывается функция контура стабилизации для установки рабочего цикла ШИМ. После этого выполняется первая фаза коммутации.
Bool mc_motor_is_running(void)
- Определение состояния двигателя. Если '1', то двигатель работает, если '0', то двигатель остановлен.
void mc_motor_stop(void)
- Используется для остановки двигателя.
void mc_set_motor_speed(U8 speed)
- Установка заданной пользователем скорости.
U8 mc_get_motor_speed(void)
- Возвращает заданную пользователем скорость.
void mc_set_motor_direction(U8 direction)
- Установка направления вращения 'CW' (по часовой стрелке) или 'CCW' (против часовой стрелки).
U8 mc_get_motor_direction(void)
- Возвращает текущее направление вращения двигателя.
U8 mc_set_motor_measured_speed(U8 measured_speed)
- Сохранение измеренной скорости в переменной measured_speed.
U8 mc_get_motor_measured_speed(void)
- Возвращает измеренную скорость.
void mc_set_Close_Loop(void)
void mc_set_Open_Loop(void)
- Конфигурация контура стабилизации: замкнутый контур или разомкнутый (см. рисунок 13).
Рисунок 10. Конфигурация AT90PWM3
Рисунок 11. Структура программного обеспечения
На рисунке 11 показаны четыре переменные mc_run_stop (пуск/стоп), mc_direction (направление), mc_cmd_speed (заданная скорость) и mc_measured_speed (измеренная скорость). Они являются основными программными переменными, доступ к которым может выполняться посредством ранее описанных пользовательских функций.
Программную реализацию можно рассматривать как черный ящик с наименованием "Управление двигателем" (рисунок 12) и несколькими входами (mc_run_stop, mc_direction, mc_cmd_speed, mc_measured_speed) и выходами (все сигналы управления силовым мостом).
Рисунок 12. Основные программные переменные
Большинство функций доступны в mc_drv.h. Только некоторые из них зависят от типа двигателя. Функции можно разделить на четыре основных класса:
- Инициализация аппаратной части
void mc_init_HW(void);
Инициализация аппаратной части полностью выполнена в этой функции. Здесь выполняется инициализация портов, прерываний, таймеров и контроллера силового каскада.
void mc_init_SW(void);
Используется для инициализации программного обеспечения. Разрешает все прерывания.
void mc_init_port(void);
Инициализация порта ввода-вывода путем задания через регистры DDRx, какие выводы функционируют как вход, а какие как выход, а также с указанием, на каких входах необходимо включить подтягивающие резисторы (через регистр PORTx).
void mc_init_pwm(void);
Данная функция запускает ФАПЧ и устанавливает все регистры PSC в исходное состояние.