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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 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

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 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 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.

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 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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 3 页

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.

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 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

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.

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

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.

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

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.

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

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 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 DS00901A_CN 第 12 页 2004 Microchip Technology Inc.

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 13 11 12 10 9 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

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 14 17 18 16 15 19 DS00901A_CN 第 14 页 2004 Microchip Technology Inc.

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

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.

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

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 DS00901A_CN 第 18 页 2004 Microchip Technology Inc.

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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 19 页

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 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 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 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 (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 DS00901A_CN 第 20 页 2004 Microchip Technology Inc.

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 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 21 页

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 V3.01 DS00901A_CN 第 22 页 2004 Microchip Technology Inc.

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

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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 : 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 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 Q6 2004 Microchip Technology Inc. DS00901A_CN 第 31 页

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.

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

注 : DS00901A_CN 第 34 页 2004 Microchip Technology Inc.

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

全 球 销 售 及 服 务 网 点 美 洲 公 司 总 部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 1-480-792-7200 Fax: 1-480-792-7277 Technical Support: 1-480-792-7627 Web Address:www.microchip.com 亚 特 兰 大 Atlanta 3780 Mansell Road, Suite 130 Alpharetta, GA 30022 Tel: 1-770-640-0034 Fax: 1-770-640-0307 波 士 顿 Boston 2 Lan Drive, Suite 120 Westford, MA 01886 Tel: 1-978-692-3848 Fax: 1-978-692-3821 芝 加 哥 Chicago 333 Pierce Road, Suite 180 Itasca, IL 60143 Tel: 1-630-285-0071 Fax: 1-630-285-0075 达 拉 斯 Dallas 16200 Addison Road, Suite 255 Addison Plaza Addison, TX 75001 Tel: 1-972-818-7423 Fax: 1-972-818-2924 底 特 律 Detroit Tri-Atria Office Building 32255 Northwestern Highway, Suite 190 Farmington Hills, MI 48334 Tel: 1-248-538-2250 Fax: 1-248-538-2260 科 科 莫 Kokomo 2767 S. Albright Road Kokomo, IN 46902 Tel: 1-765-864-8360 Fax: 1-765-864-8387 洛 杉 矶 Los Angeles 25950 Acero St., Suite 200 Mission Viejo, CA 92691 Tel: 949-462-9523 Fax: 949-462-9608 圣 何 塞 San Jose 1300 Terra Bella Avenue Mountain View, CA 94043 Tel: 1-650-215-1444 Fax: 1-650-961-0286 加 拿 大 多 伦 多 Toronto 6285 Northam Drive, Suite 108 Mississauga, Ontario L4V 1X5, Canada Tel: 1-905-673-0699 Fax: 1-905-673-6509 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: 61-2-9868-6733 Fax: 61-2-9868-6755 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 :100027 电 话 :86-10-85282100 传 真 :86-10-85282104 中 国 - 成 都 成 都 市 提 督 街 88 号 四 川 建 行 大 厦 2401-2402 室 邮 编 :610016 电 话 :86-28-86766200 传 真 :86-28-86766599 中 国 - 福 州 福 州 市 五 四 路 71 号 国 贸 广 场 28 层 F 单 元 邮 编 :350001 电 话 :86-591-7503506 传 真 :86-591-7503521 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 901-906 室 电 话 :852-24011200 传 真 :852-24013431 中 国 - 上 海 上 海 市 仙 霞 路 317 号 远 东 国 际 广 场 B 栋 701 室 邮 编 :200051 电 话 :86-21-62755700 传 真 :86-21-62755060 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 :518033 电 话 :86-755-82901380 传 真 :86-755-82951393 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 :528303 电 话 :86-757-28395507 传 真 :86-757-28395571 中 国 - 青 岛 青 岛 市 香 港 中 路 12 号 丰 合 广 场 B505A 室 邮 编 :266071 电 话 :86-532-5027355 传 真 :86-532-5027205 台 湾 地 区 Kaohsiung Branch 30F - 1 No. 8 Min Chuan 2nd Road Kaohsiung 806, Taiwan Tel: 886-7-536-4816 Fax: 886-7-536-4817 台 湾 地 区 Taiwan Branch 11F-3, No. 207 Tung Hua North Road Taipei, 105, Taiwan Tel: 886-2-2717-7175 Fax: 886-2-2545-0139 台 湾 地 区 Taiwan Branch 13F-3, No. 295, Sec. 2, Kung Fu Road Hsinchu City 300, Taiwan Tel: 886-3-572-9526 Fax: 886-3-572-6459 印 度 India Divyasree Chambers 1 Floor, Wing A (A3/A4) No. 11, O Shaugnessey Road Bangalore, 560 025, India Tel: 91-80-22290061 Fax: 91-80-22290062 日 本 Japan Yusen Shin Yokohama Building 10F 3-17-2, Shin Yokohama, Kohoku-ku, Yokohama, Kanagawa, 222-0033, Japan Tel: 81-45-471-6166 Fax: 81-45-471-6122 韩 国 Korea 168-1, Youngbo Bldg. 3 Floor Samsung-Dong, Kangnam-Ku Seoul, Korea 135-882 Tel: 82-2-554-7200 Fax: 82-2-558-5932 或 82-2-558-5934 新 加 坡 Singapore 200 Middle Road #07-02 Prime Centre Singapore, 188980 Tel: 65-6334-8870 Fax: 65-6334-8850 欧 洲 奥 地 利 Austria Durisolstrasse 2 A-4600 Wels Austria Tel: 43-7242-2244-399 Fax: 43-7242-2244-393 丹 麦 Denmark Regus Business Centre Lautrup hoj 1-3 Ballerup DK-2750 Denmark Tel: 45-4420-9895 Fax: 45-4420-9910 法 国 France Parc d Activite du Moulin de Massy 43 Rue du Saule Trapu Batiment A - ler Etage 91300 Massy, France Tel: 33-1-69-53-63-20 Fax: 33-1-69-30-90-79 德 国 Germany Steinheilstrasse 10 D-85737 Ismaning, Germany Tel: 49-89-627-144-0 Fax: 49-89-627-144-44 意 大 利 Italy Via Salvatore Quasimodo, 12 20025 Legnano (MI) Milan, Italy Tel: 39-0331-742611 Fax: 39-0331-466781 荷 兰 Netherlands Waegenburghtplein 4 NL-5152 JR, Drunen, Netherlands Tel: 31-416-690399 Fax: 31-416-690340 英 国 United Kingdom 505 Eskdale Road Winnersh Triangle Wokingham Berkshire, England RG41 5TU Tel: 44-118-921-5869 Fax: 44-118-921-5820 07/12/04 DS00901A_CN 第 36 页 2004 Microchip Technology Inc.