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1 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 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, 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 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, 本 文 讲 述 的 无 传 感 器 方 案 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 1 页

2 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 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 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 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 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 非 常 好 的 磁 通 源, 相 当 于 电 流 源 相 绕 组 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, 需 要 先 了 解 要 控 制 电 机 的 L(i,θ) 特 性 不 幸 的, 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 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 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 它 们 一 般 用 正 弦 电 压 通 电, 因 此 这 里 不 再 讨 论 DS00901A_CN 第 2 页 2004 Microchip Technology Inc.

3 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, 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 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 = 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 3 页

4 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 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 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 ½ VDC, 与 加 在 这 两 个 通 电 相 绕 组 上 的 电 压 极 性 无 关 但, 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 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 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 DS00901A_CN 第 4 页 2004 Microchip Technology Inc.

5 应 用 软 件 开 发 环 境 采 用 MPLAB 6.40, 并 用 Microchip C30 optimizing compiler (v ) 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 5 页

6 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 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 DS00901A_CN 第 6 页 2004 Microchip Technology Inc.

7 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 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 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 7 页

8 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 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 调 试 都 需 要 这 样 做 如 果 使 用 的 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 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 DS00901A_CN 第 8 页 2004 Microchip Technology Inc.

9 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 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 很 重 要 但, 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 这 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 9 页

10 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, 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 合 适 的 设 置 这 些 给 定 量 的 关 键, 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, 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 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 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 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 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 DS00901A_CN 第 10 页 2004 Microchip Technology Inc.

11 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 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, 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, 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 11 页

12 在 某 相 未 通 电 期 间 观 测 电 压 反 馈 信 号, 可 以 确 定 BEMF 有 振 荡 降 低 速 度 给 定 可 能 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 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 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 DS00901A_CN 第 12 页 2004 Microchip Technology Inc.

13 可 以 忽 略 不 通 电 区 间 中 BEMF 波 形 上 的 毛 刺 如 图 8 所 示, 它 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 虚 线 区 内 出 现 的 波 动 (9) 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 13 页

14 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 可 见 的, 但 不 会 显 示 任 何 过 零 点, 这 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 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 DS00901A_CN 第 14 页 2004 Microchip Technology Inc.

15 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 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 15 页

16 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 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 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 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 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 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 DS00901A_CN 第 16 页 2004 Microchip Technology Inc.

17 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 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 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 稳 定 或 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 稳 定 检 查 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 稳 定 检 查 电 机 接 线 检 查 S2 位 于 模 拟 位 置 以 及 反 馈 信 号 接 线 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 正 确 并 且 外 部 制 动 电 阻 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 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) 正 确, 以 及 外 部 制 动 电 阻 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 17 页

18 参 考 读 物 Modern Power Electronics and AC Drives, B. Bose, Prentice Hall PTR, ISBN Electric Motors and Drives, A.Hughes, Heinemann Newnes, ISBN Brushless Permanent Magnet and Reluctance Motor Drives,T. Miller, Oxford Clarendon,ISBN K. Iizuka et. al, Microcomputer control for sensorless brushless motor, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 21, No , pp DS00901A_CN 第 18 页 2004 Microchip Technology Inc.

19 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 : 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 Lock Pos.1 Time 第 二 次 开 始 锁 定 的 时 间, 以 10 ms 为 增 量 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) 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 % Ramp Duration 加 速 过 程 持 续 时 间, 增 量 为 10ms 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 Over Speed Limit 超 速 翻 转 值, 单 位 为 RPM Over Volts Limit 过 电 压 翻 转 值, 增 量 为 0.1V Over Current Lim 过 电 流 翻 转 值, 增 量 为 0.1 A 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, Current I Gain 因 此 可 以 采 用 分 数 表 示 ( 例 如, 256 = ½) 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 Speed I Gain 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 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 19 页

20 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, Volts I Gain 因 此 可 以 采 用 分 数 表 示 ( 例 如, 256 = ½) No. Motor Poles 电 机 转 子 的 极 数, 不 极 对 数 因 此, 极 数 应 该 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 Current Scale / 阻 分 压 器 的 比 值 关 于 如 何 设 置 这 些 值, 请 参 阅 parameters.h 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 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 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 ( ) 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 ( ) 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 DS00901A_CN 第 20 页 2004 Microchip Technology Inc.

21 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 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 21 页

22 附 录 B: 源 代 码 清 单 可 以 从 Microchip 网 站 ( 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 V3.01 DS00901A_CN 第 22 页 2004 Microchip Technology Inc.

23 附 录 C: 图 C-1: 主 程 序 程 序 流 程 图 系 统 复 位 复 位 无 效? 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 23 页

24 图 C-2: 中 等 事 件 处 理 程 序 开 始 medium_event_count == 10 ms? 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 超 速 或 停 转? 计 算 相 位 超 前 调 用 speed_loop 无 传 感 器 运 转? 调 用 voltage_control 调 用 starting_code 系 统 起 动? 结 束 DS00901A_CN 第 24 页 2004 Microchip Technology Inc.

25 图 C-3: 起 动 代 码 开 始 注 : ROTATION_CHECK == TRUE 表 明 首 次 调 用 starting_code ROTATION_CHECK == TRUE? 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 系 统 采 集 ( 方 法 2)? rotation_timer > 0? rotation_timer 风 力 旋 转 制 动? 逐 渐 降 低 开 环 换 相 频 率 至 零 第 一 次 锁 定 有 效? 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? 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? 提 高 输 出 频 率 和 电 压, 以 匹 配 用 户 定 义 的 参 数 禁 止 导 通 run_state = FAULT trip = failed to start 采 集 方 法 1? 采 集 方 法 1? 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? 允 许 zero X 检 测 结 束 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 25 页

26 图 C-4: 慢 速 事 件 处 理 程 序 开 始 slow_event_count == 100ms? 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 DS00901A_CN 第 26 页 2004 Microchip Technology Inc.

27 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 通 过 方 法 2 采 集? 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? 过 电 压 或 者 过 电 流? 禁 止 通 电 run_state = FAULT 置 位 trip_state 调 用 current_control 写 入 ADCHS 改 变 VPH 反 馈? 调 用 acquire_position 通 过 方 法 2 采 集? 调 用 check_zero_crossing 无 传 感 器 运 转 或 者 使 用 方 法 1 采 集? 结 束 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 27 页

28 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? ADCCONFIG 清 零 初 始 化 多 个 变 量 和 标 志 位 以 备 采 集 使 用 如 果 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? 实 际 值 > X VPH 采 样 值 < VTH? X = Acquire Level Th 参 数 run_state = FAULT trip_state = FAILED_TO_START 先 前 的 以 及 当 前 的 VPH 和 VTH VTH = Acquire_Threshold 参 数 从 QEI 计 数 器 POSCNT 读 取 时 间 标 记 RED 标 志 置 位? RETRY_flag = TRUE if(retry_counter > 0) retry_counterñ ADCCONFIG = TRUE 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 YELLOW 标 志 置 位? 保 存 时 间 标 记 RED = TRUE BLUE 和 YELLOW 代 码 保 存 VPH 采 样 Demanded DIR == DIR? 太 快 以 至 于 不 能 开 始 无 传 感 器 运 转? 置 位 标 志 以 使 系 统 重 新 采 集 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 DS00901A_CN 第 28 页 2004 Microchip Technology Inc.

29 图 C-8: 检 测 过 零 点 开 始 注 : ADCCONFIG == TRUE 表 明 刚 出 现 一 次 换 相 ADCCONFIG == TRUE? 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 blanking_counter > 0? blanking_counter 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 唯 一 的 充 足 的 VPH 采 样 > VDC/2? 先 前 的 和 当 前 的 VPH <= VDC/2? 从 QEI 计 数 器 POSCNT 读 取 时 间 标 记 更 新 段 计 算 较 先 前 的 zero X 的 时 间 增 量 计 算 周 期 量 并 复 位 停 转 计 数 器 采 集 方 法 1? acquire_counter ++ 计 算 时 间 直 到 下 一 次 换 相 acquire_counter > 1? 禁 止 通 电 自 动 重 新 采 集? 系 统 失 速? run_state = FAULT trip_state = LOST 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 29 页

30 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 开 始 通 过 方 法 1 采 集? 请 求 通 过 方 法 1 采 集? 切 换 为 无 传 感 器 运 转? 置 位 ACQUIRE1 标 志 置 位 ADCCONFIG 标 志 复 位 acquire_counter 装 载 check_counter check_counterñ check_counter > 0? 装 载 新 的 换 相 时 间 到 PR2 并 复 位 TMR2 无 传 感 器 运 转? 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 无 传 感 器 运 转? 方 法 1 采 集? 更 新 段 清 零 T2 中 断 标 志 结 束 DS00901A_CN 第 30 页 2004 Microchip Technology Inc.

31 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 因 为 任 何 3n ( 其 中 n = 1,2,3 ) 次 谐 波 都 将 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 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 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 : 反 电 动 势 幅 值 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 ½ VDC 这 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 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 Q Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 31 页

32 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 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 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 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 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 随 时 间 的 推 移 减 小 总 误 差 但, 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 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, 不 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 DS00901A_CN 第 32 页 2004 Microchip Technology Inc.

33 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 33 页

34 注 : DS00901A_CN 第 34 页 2004 Microchip Technology Inc.

35 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 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 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 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 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, 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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 35 页

36 全 球 销 售 及 服 务 网 点 美 洲 公 司 总 部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: Technical Support: Web Address: 亚 特 兰 大 Atlanta 3780 Mansell Road, Suite 130 Alpharetta, GA Tel: Fax: 波 士 顿 Boston 2 Lan Drive, Suite 120 Westford, MA Tel: Fax: 芝 加 哥 Chicago 333 Pierce Road, Suite 180 Itasca, IL Tel: Fax: 达 拉 斯 Dallas Addison Road, Suite 255 Addison Plaza Addison, TX Tel: Fax: 底 特 律 Detroit Tri-Atria Office Building Northwestern Highway, Suite 190 Farmington Hills, MI Tel: Fax: 科 科 莫 Kokomo 2767 S. Albright Road Kokomo, IN Tel: Fax: 洛 杉 矶 Los Angeles Acero St., Suite 200 Mission Viejo, CA Tel: Fax: 圣 何 塞 San Jose 1300 Terra Bella Avenue Mountain View, CA Tel: Fax: 加 拿 大 多 伦 多 Toronto 6285 Northam Drive, Suite 108 Mississauga, Ontario L4V 1X5, Canada Tel: Fax: 亚 太 地 区 澳 大 利 亚 Australia Microchip Technology Australia Pty Ltd Unit 32, 41 Rawson Street Epping 2121, NSW Sydney, Australia Tel: Fax: 中 国 - 北 京 北 京 市 朝 阳 门 北 大 街 6 号 北 海 万 泰 大 厦 706B 室 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 中 国 - 成 都 成 都 市 提 督 街 88 号 四 川 建 行 大 厦 室 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 中 国 - 福 州 福 州 市 五 四 路 71 号 国 贸 广 场 28 层 F 单 元 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 中 国 - 香 港 特 别 行 政 区 香 港 新 界 葵 芳 兴 芳 路 223 号 新 都 会 广 场 2 座 室 电 话 : 传 真 : 中 国 - 上 海 上 海 市 仙 霞 路 317 号 远 东 国 际 广 场 B 栋 701 室 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 中 国 - 深 圳 深 圳 市 福 田 区 滨 河 大 道 5022 号 联 合 广 场 A 座 1812 室 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 中 国 - 顺 德 佛 山 市 顺 德 区 容 桂 镇 凤 祥 南 路 2 号 宏 建 大 厦 401 室 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 中 国 - 青 岛 青 岛 市 香 港 中 路 12 号 丰 合 广 场 B505A 室 邮 编 : 电 话 : 传 真 : 台 湾 地 区 Kaohsiung Branch 30F - 1 No. 8 Min Chuan 2nd Road Kaohsiung 806, Taiwan Tel: Fax: 台 湾 地 区 Taiwan Branch 11F-3, No. 207 Tung Hua North Road Taipei, 105, Taiwan Tel: Fax: 台 湾 地 区 Taiwan Branch 13F-3, No. 295, Sec. 2, Kung Fu Road Hsinchu City 300, Taiwan Tel: Fax: 印 度 India Divyasree Chambers 1 Floor, Wing A (A3/A4) No. 11, O Shaugnessey Road Bangalore, , India Tel: Fax: 日 本 Japan Yusen Shin Yokohama Building 10F , Shin Yokohama, Kohoku-ku, Yokohama, Kanagawa, , Japan Tel: Fax: 韩 国 Korea 168-1, Youngbo Bldg. 3 Floor Samsung-Dong, Kangnam-Ku Seoul, Korea Tel: Fax: 或 新 加 坡 Singapore 200 Middle Road #07-02 Prime Centre Singapore, Tel: Fax: 欧 洲 奥 地 利 Austria Durisolstrasse 2 A-4600 Wels Austria Tel: Fax: 丹 麦 Denmark Regus Business Centre Lautrup hoj 1-3 Ballerup DK-2750 Denmark Tel: Fax: 法 国 France Parc d Activite du Moulin de Massy 43 Rue du Saule Trapu Batiment A - ler Etage Massy, France Tel: Fax: 德 国 Germany Steinheilstrasse 10 D Ismaning, Germany Tel: Fax: 意 大 利 Italy Via Salvatore Quasimodo, Legnano (MI) Milan, Italy Tel: Fax: 荷 兰 Netherlands Waegenburghtplein 4 NL-5152 JR, Drunen, Netherlands Tel: Fax: 英 国 United Kingdom 505 Eskdale Road Winnersh Triangle Wokingham Berkshire, England RG41 5TU Tel: Fax: /12/04 DS00901A_CN 第 36 页 2004 Microchip Technology Inc.