Системы управления электродвигателями на микроконтроллерах фирмы MOTOROLA

1. Преимущества микроконтроллеров в электроприводах

Сохранение электрической энергии становится важной частью общей тенденции по защите окружающей среды. Электродвигатели, приводящие в действие системы в быту и на производстве, потребляют значительную часть производимой энергии. Большинство этих двигателей работают в нерегулируемом режиме и, следовательно, с низкой эффективностью. Недавний прогресс в полупроводниковой индустрии, особенно в силовой электронике и микроконтроллерах, сделали приводы с регулированием скорости более практичными и значительно менее дорогими. Сегодня приводы с регулировкой скорости требуются не только в высокопрофессиональных и мощных промышленных применениях, таких как обрабатывающие машины или подъемные краны, но все больше и больше в бытовой технике, например, в стиральных машинах, компрессорах, небольших насосах, кондиционерах воздуха и т.п. Эти приводы, управляемые по развитым алгоритмам с помощью микроконтроллеров, имеют ряд преимуществ:

    •Увеличение энергетической эффективности системы — регулирование скорости снижает потери мощности в двигателях;
    •Усовершенствование функционирования — цифровое управление может добавить такие свойства, как интеллектуальные замкнутые контуры, изменение частотных свойств, диапазона контролируемых неисправностей и способность к взаимодействию с другими системами;
    •Упрощение электромеханического преобразования энергии — регулируемые приводы позволяют устранить необходимость в трансмиссиях, коробках передач, редукторах;
    •Простота обновления программного обеспечения — системы на базе микроконтроллеров с флэш-памятью могут быстро изменять при необходимости свой алгоритм и регулируемые переменные.

    С выполнением приводов регулируемыми сложность системы часто увеличивается. Основным условием их использования является сохранение общей стоимости системы в обоснованных границах. Для ряда систем, особенно в быту, общая стоимость должна быть эквивалентна стоимости нерегулируемого варианта.
    Эта статья представляет микроконтроллеры MC68HC908MR24 и MC68HC(7)05JJ6/7, разработанные фирмой MOTOROLA для дешевых применений в электроприводе. Здесь представлены также практические решения для дешевых приводов с трехфазным асинхронным двигателем, трехфазным бесколлекторным двигателем постоянного тока (БДПТ) и универсальным коллекторным двигателем переменного тока.

2. Микроконтроллеры для управления электродвигателями

2.1 Микроконтроллер MC68HC908MR24

68HC908MR24 — микроконтроллер семейства HC08, разработанный для применений в одно- или трехфазных электроприводах. Он следует за микроконтроллерами MC68HC(7)08MP16/MQ16. ‘MR24 включают в себя 24 Kбайт FLASH, 768 байт RAM, два 16-битовых таймера, SPI, SCI (UART), 13 выводов I/O общего назначения и модуль LVR. Конструктивное исполнение — QFP корпус с 64 выводами.
    ‘MR24 имеет специальные свойства, которые ориентируют его на применение в асинхронных электроприводах: 6-канальный 12-битовый модуль PWM (ШИМ), порт вывода с высокой нагрузочной способностью по току и 10-канальный, 10-битовый АЦП. Главные свойства 6-канального PWM-модуля: режимы формирования центрированных или выровненных по фронту ШИМ-сигналов; режим, в котором шесть выходов конфигурируются в три комплементарные пары с когерентным обновлением информации; регистр генерации “мертвого времени” для предотвращения сквозных токов в инверторе; входы для распознавания полярности токов в фазах двигателя с целью коррекции искажений от наличия “мертвого времени” при переключении силовых ключей инвертора; входы детектирования неисправности для быстрого отключения выходов PWM. Имеющиеся в PWM-модуле аппаратные средства устраняют необходимость использования нескольких внешних компонентов (таких как логика распознавания токов, генерация “мертвого времени” и обработка сигналов отказов). Рис. 1 показывает блок-схему микроконтроллера.

Рис. 1

2.2 Микроконтроллер MC68HC(7)05JJ6/7

68HC05JJ6 — микроконтроллер семейства HC05, разработанный для простых применений с низкой стоимо-стью. Основные свойства ‘MR24 включают в себя 6,1 Kбайт ROM, 224 байта RAM; 16-битовый таймер, имеющий свойства захвата по входу и сравнения по выходу; 14 выводов I/O общего назначения и простой порт последовательного ввода/вывода (SIOP); корпус SOIC или DIP с 20 выводами. В дополнение JJ6 имеет специальные элементы, включая два компаратора, которые могут быть скомбинированы с 16-битовым программируемым таймером для создания 4-х канального single slope АЦП, а также порт ввода/вывода с высокой нагрузкой по току и встроенный в кристалл диод для измерения температуры. Высокая нагрузочная способность по току очень важна для простых применений, так как позволяет сократить общее число элементов схемы. JJ6 имеет 6 выводов с нагрузкой 10 мА.

Рис. 2

MC68HC705JJ7 имеет те же свойства, но ROM заменена на 6,1 К EPROM, что предпочтительно для этапа разработки программ.

3. Электропривод с фазовым управлением и бездатчиковой стабилизацией скорости универсального коллекторного двигателя

Этот раздел статьи описывает дешевый привод с фазовым управлением углом включения, базирующийся на микроконтроллере MC68HC05JJ6/MC68HC705JJ7 и триаке MAC4DC, не требующем цепей снабберов. Дешевая однофазная силовая плата предназначена для универсальных коллекторных двигателей переменного тока, работающих в диапазоне от 3000 до 10000 об/мин. В настоящее время универсальный коллекторный двигатель является наиболее часто применяемым двигателем в бытовой технике, такой как пылесосы, стиральные машины, ручной электроинструмент и кухонные комбайны. Режим работы, который используется в этих применениях — регулирование скорости с обратной связью по ней. В сравнении с обычным решением с тахогенератором на валу двигателя рассматриваемая реализация не требует какого-либо тахометра. Измерение скорости осуществляется косвенно через измерение микроконтроллером тока двигателя.

3.1 Электропривод с фазовым управлением

Схема привода была разработана очень простой, с целью использования всех свойств микроконтроллера. Такой дешевый микроконтроллер оказывается достаточно мощным для выполнения всех функций, необходимых для организации замкнутой бездатчиковой системы управления углом включения триака. Используются только две интегральные микросхемы и небольшое число внешних компонентов. Это обеспечивает очень компактную печатную плату и очень эффективное по стоимости решение.
    Целью этого дизайна было обеспечение очень дешевой замкнутой системы управления универсальным двигателем без какого-либо тахометра. Как можно видеть на рис. 3, схема состоит из следующих блоков:

• микроконтроллер;
• источник питания;
• синхронизация;
• измерение тока;
• силовой ключ.

Специальное внимание было уделено измерению тока и его оценке. Так как этот сигнал очень важен для алгоритма бездатчикового управления, был выбран дифференциальный операционный усилитель. Он объединяет преимущества незаземленных входов и высокой помехоустойчивости.

3.2 Алгоритм бездатчикового управления

Уравнения универсального двигателя, питаемого через триак, должны быть разделены на два случая:
а) когда триак отключен
    i = 0,
б) когда триак включен
    v = e + z·i,
где e — электродвижущая сила вращения (противо-ЭДС) k·i·W; z — импеданс двигателя r + j·L·w; w — частота питания; W — скорость двигателя; k — константа, определяемая параметрами двигателя; r — сопротивление обмотки; v = (k·W + r)·i + j·L·w·i.

Рис. 3

Было использовано моделирование на аналоговом симуляторе SaberTM для решения всех необходимых уравнений и работы виртуальной системы с фазовым бездатчиковым управлением универсальным двигателем. В качестве модели универсального двигателя была использована стандартная модель из библиотеки (dc_srs.sim). В модели использовались значения параметров универсального двигателя мощностью 200 Вт.
    Из результатов моделирования следует, что ток it0, который измерен в точке перехода питания через ноль, зависит только от скорости, исключая случай наибольшей задержки включения в 8 мс. Для скоростей, больших 3000 об/мин и задержки включения менее 8,5 мс ток в точке перехода питания через ноль постоянен для заданной скорости в широком диапазоне изменения нагрузки. Для скоростей, меньших 3000 об/мин или задержки включения более 8,5 мс необходимо выполнить коррекцию.

3.3 Характеристика управления

Соотношения между скоростью и током были получены из результатов моделирования. Эта характеристика используется в программе и она определяет, какое конкретное значение тока соответствует конкретной скорости.
    Наиболее важное действие для бездатчикового алгоритма управления углом — это достоверное определение параметров двигателя. Ток должен измеряться в точке перехода питания через ноль для постоянной задержки включения и для обоснованного диапазона скоростей.

Таблица 1

3.4 Использование ресурсов микроконтроллера

Табл. 1 показывает использование па-мяти при работе привода с бездатчиковым алгоритмом управления углом. Значительная часть памяти микроконтроллера остается свободной для других задач.

3.5 Результаты

Тесты были осуществлены на испытательном стенде, использующем универсальный двигатель мощно-стью 200 Вт с редуктором. Скорость после пуска остается постоянной в пределах 10% для различной нагрузки.
    Прикладывалось также изменение в 90% номинальной нагрузки. Скорость была постоянной и контроллер способен восстановить падение скорости в течение 1 с.

4. Дешевая система управления для трехфазного двигателя переменного тока, основанная на MC68HC908MR24

Этот раздел представляет практическую реализацию дешевого электропривода переменного тока. Она базируется на микроконтроллере MC68HC908MR24, предназначенном для управления двигателями. Рассматриваемые применения — это приводы вентиляторов, компрессоров, насосов, кондиционеров воздуха или других похожих систем, где общая стоимость системы — основное требование, в то время как высокие динамические показатели не предписаны. Представленная реализация может использоваться как хорошая стартовая точка для конкретного привода.

4.1 Концепция системы

Устройство предназначено для управления трехфазным асинхронным двигателем в замкнутой системе. Для предполагаемых применений алгоритм изменения напряжения от частоты является наилучшим выбором, в то время как большинство других методов находится вне сферы рассматриваемого нами дешевого привода переменного тока. Датчик скорости позволяет построить систему, которая увеличивает точность поддержания скоро-сти привода переменного тока. Стандартная концепция системы выбрана для привода, представленного на рис. 4.

Рис. 4

Система объединяет следующие части:

• плата микроконтроллера;
  
• трехфазный инвертор;
  
• датчики обратных связей: скорости двигателя, напряжения и тока шины постоянного тока, перегрузки по току;
  
• оптоизоляция между силовыми цепями и микроконт-роллером;
  
• источник питания.
  

4.2 Аппаратные средства

4.2.1 Плата микроконтроллера

Микроконтроллер MC68HC908MR24 управляет приводом посредством чтения задания на скорость вместе с сигналами обратных связей и в соответствии с запро-граммированным алгоритмом генерирует ШИМ-сигналы для силовых ключей и сигналы индикации состояния для интерфейса с пользователем. Указанный микроконтроллер требует минимального количества внешних компонентов.

4.2.2 Трехфазный инвертор

Трехфазный инвертор формирует силовую часть системы. Его функция состоит в преобразовании сигнала 5 В ШИМ от микроконтроллера в высоковольтные управляемые импульсы, питающие двигатель. В рассматриваемом решении выбраны IGBT с обратными диодами. Их хорошие токовые характеристики и относительно высокие частотные свойства позволяют питать мотор при несущей частоте ШИМ 16-20 кГц, что выше предела звукового шума.

4.2.3 Датчики обратных связей

Правильное функционирование системы управления требует набора сигналов обратных связей, точно представляющих напряжение шины постоянного тока, ток шины и скорость двигателя.
    Напряжение шины должно контролироваться для защиты от повышенного напряжения. Резистивный делитель создает простой датчик напряжения.
    Ток шины должен контролироваться по требованию защиты от превышения тока, а также для реализации алгоритма управления. Измерение тока обеспечивается резистивным датчиком тока, включенным в цепь низкого потенциала силовой шины. В случае превышения допустимого тока цепь сравнения генерирует сигнал неисправности, подаваемый на вход детектирования неисправности модуля ШИМ микроконтроллера.
    Датчик скорости требуется для замкнутой системы управления. Истинную скорость двигателя измеряет тахогенератор переменного тока, выходом которого является синусоидальный сигнал с частотой, соответствующей скорости двигателя. Синусоидальный сигнал тахогенератора фильтруется и трансформируется в прямоугольный сигнал логического уровня соответствующей цепи, после чего поступает на блок захвата по входу (Input Capture) модуля таймера микроконтроллера.

4.2.4 Оптоизоляция

Оптоизоляция обеспечивает гальваническую изоляцию между силовой и управляющей секциями системы. Шесть оптопар изолируют управляющие ШИМ-сигналы. Для обеспечения надежности, безопасности и устранения помех через заземленные цепи все сигналы обратных связей (напряжение, ток) должны быть изолированы путем использования оптопар или оптоизолирующих усилителей.

4.3 Программное обеспечение

Задача управления двигателем реализуется следующим образом. На основании заданной скорости вычисляется темп ускорения/замедления. Истинная скорость двигателя непрерывно измеряется тахогенератором. Регулятор скорости вырабатывает заданную частоту двигателя на основании сигнала ошибки по скорости (разности между заданной и истинной скоростью), чтобы скомпенсировать скольжение двигателя. Таким образом, в установившемся режиме истинная скорость двигателя равна заданной. Функция напряжение/частота генерирует напряжение, соответствующее частоте. Затем модуль ШИМ генерирует шесть выходных сигналов для силовой части.
    Напряжение шины постоянного тока контролируется во время торможения двигателя для предотвращения повышения напряжения на шине. Если возникает необходимость, то применяется функция защиты.
    Привод защищен от неисправностей в системе. В ней детектируются следующие из них:

• превышение напряжения на шине постоянного тока;
  
• понижение напряжения на шине постоянного тока;
  
• перегрузка по току двигателя.
  

Если наступает какая-либо индивидуальная неисправность, выходы ШИМ блокируются для защиты силовых ключей системы.

4.4 Использование ресурсов микроконтроллера

Табл. 2 показывает, насколько использована память при работе привода с замыканием обратной связи по скорости. Значительная часть памяти микроконтроллера остается свободной для других задач.

Таблица 2

4.5 Демонстрационный привод SimplePOWER

SimplePOWER — это модульная система управления двигателем, которая объединяет несколько различных блоков, таких как управление двигателем, датчики, управление клапанами, панель управления и т.п.
    Все модули соединяются между собой дешевой коммуникационной шиной, которая может быть сконфигурирована как сеть с одним или многими ведущими устройствами. Коммуникационный протокол SimpleCHAT может быть применен в различных микроконтроллерах MOTOROLA с использованием различных физических коммуникационных каналов.

Рис. 5

Представленное решение (рис. 5) состоит из следующих блоков:

• Ведущий блок — обеспечивает управление сетью и коммуникационной шиной, включая интерфейс поль-зователя (дисплей, клавиатура);
  
• Трехфазный асинхронный привод — дешевый узел управления двигателем на базе MC68HC908MR24;
  
• Датчик температуры — пример датчика, контролируемого с помощью MC68HC705JJ7/05JJ6. Узел питается от коммуникационной шины;
  
• Коммуникационный интерфейс — передача от ведущего устройства к ведомому осуществляется модуляцией напряжения, коммуникация в противоположном направлении — за счет модуляции тока. Коммуникационный интерфейс со стороны ведущего способен обеспечить источник питания для ведомых устройств до 100 мА общего потребления.
  
  

Это техническое решение подходит для применений, где модульность и коммуникационные возможности являются ключевым свойством, таких как кондиционирование дома, нагрев-вентиляция-кондиционирование (HVAC), системы с несколькими насосами, промышленные привода и т.п.

5. Дешевый высокоэффективный бездатчиковый привод для бесколлекторного двигателя постоянного тока на базе MC68HC908MR24

Трехфазные бесколлекторные двигатели постоянно го тока (БДПТ) — это хорошие кандидаты для дешевых высокоэффективных приводов из-за их способности к высокой эффективности и свойства легкой управляемости. Недостатком этого типа двигателей является тот факт, что их коммутация реализуется в функции положения ротора. Если для детектирования положения ротора используются какие-либо датчики, то для передачи полученной информации в устройство управления требуются дополнительные присоединения к двигателю. Это может быть неприемлемым для некоторых типов применений. Существует по крайней мере две причины, по которым вы можете захотеть устранить датчики положения:

• реальная невозможность осуществить дополнительные соединения между датчиками положения и устройством управления;
• стоимость датчиков положения и соединения.

Первая проблема может быть решена интеграцией системы управления в корпус двигателя. Тем не менее, все еще остается достаточное число применений, требующих бездатчикового решения.
    Разработанная технология бездатчикового определения положения ротора детектирует точки, в которых наводимая в обмотках двигателя противо-ЭДС переходит через ноль. Точки перехода через ноль фазной противо-ЭДС регистрируются, когда одна из трех фаз обмотки не получает питания. Полученная информация обрабатывается для управления напряжением фаз с использованием широтно-импульсной модуляции.
    В данном разделе делается попытка дать концепцию управления рассматриваемого привода. Привод создан для применения в простых приложениях (то есть насосы, компрессоры, вентиляторы...) при определенных диапазонах скорости и мощности.

5.1 Модель системы привода

    Для объяснения идеи технологии распознавания противо-ЭДС была создана упрощенная математическая модель, основанная на топологии базовых цепей (рис. 6)

Рис. 6

Модель преобразователь-двигатель состоит из обычного трехфазного силового преобразователя плюс бесколлекторный двигатель постоянного тока. Питание системы обеспечивается источником напряжения (Ud). Шесть полупроводниковых ключей (SA/B/C, t/b) управляются так, чтобы к обмотке прикладывалось напряжение прямоугольной формы. Полупроводниковые ключи и диоды моделировались как идеальные устройства. Нулевой потенциал для всей модели помещен в точку половины напряжения шины постоянного тока. Это упрощает математические выражения при вычислении формы выходных сигналов преобразователя.

5.2 Измерение противо-ЭДС

Технология измерения противо-ЭДС основана на том, что в каждый момент времени к источнику подключены только две фазы БДПТ, поэтому третья фаза может быть использована для измерения противо-ЭДС.
    Предположим ситуацию, когда фазы А и В получают питание, а фаза С свободна. Через нее не проходит ток. Это описывается следующими условиями:
    S_Ab, S_Bt - PWM
    u_VA=+-1/2u_D,u_VA=+-1/2u_d
    i_A=-i_B, i_C=0, di_C=0
    u_iA + u_iB + u_iC = 0

(1)

Напряжение ветви С может быть вычислено при рассмотрении указанных выше условий:

    u_VA=3/2 u_iC

(2)

    Из рис. 6 видно, что напряжение ветви С может быть измерено между выходом фазы С преобразователя и точкой нулевого потенциала. Следовательно, противо-ЭДС получена, и ее переход через ноль может быть зафиксирован. Аналогичные выражения также могут быть определены для фаз А и В:

    u_Vx = 3/2 u_ix ......x = A, B, C

(3)

Рис. 7

Рис. 7 показывает напряжения ветви и фазы обмотки двигателя на интервале 0...360 электрических градусов. Затененные прямоугольники определяют зоны справедливости выражений (3). Другими словами, противо-ЭДС может быть измерена на протяжении указанных интервалов.

5.3 Концепция системы

Фактор стоимости особенно влияет на то, чтобы техническое решение было как можно более простым. Детектирование перехода через ноль противо-ЭДС дает возможность распознавания положения ротора, как рассмотрено в предыдущем разделе. Резистивные цепи используются для снижения измеряемых напряжений до уровня 0-15 В. Простая фильтрация предотвращает ложные срабатывания компараторов из-за высоковольтных пиков, возникающих при переключении IGBT. Мультиплексор выбирает компаратор фазы, которая соотносится с текущим состоянием коммутации. Этот сигнал передается на вход захвата Input Capture микроконтроллера.

Рис. 8

Шунтовой резистор (0,6 Ом/2 Вт) в цепи шины используется для измерения тока, который прерывается ШИМ. Внутренний АЦП микроконтроллера синхронизирован с сигналом ШИМ. Эта синхронизация упраздняет влияние пиков при коммутации IGBT и упрощает электрическую цепь.
    АЦП используется также для измерения напряжения шины и задания скорости. Напряжение шины делится до уровня 5 В резистивной схемой.
   Шесть IGBT со встроенными обратными диодами и высоковольтными драйверами затворов создают компакт-ную силовую часть. Драйверы обеспечивают сдвиг уровня сигналов, что требуется для управления верхней частью мостовой схемы, обычно используемой в электроприводе. ШИМ-технология используется для управления напряжением фаз.
    Простой источник питания (выпрямленное питание) состоит из линейного и высокочастотного фильтров для того, чтобы удовлетворить требованиям европейского сообщества (IEC555-1).

5.4 Алгоритм управления

Поток управления состоит из пяти фаз: начальное положение, ускорение, стабилизация, фазовая автоподстройка момента коммутации и работа (коммутация синхронизирована).

5.4.1 Начальное положение

5.4.2 Ускорение

5.4.3 Стабилизация

Теперь двигатель должен проработать короткое время на постоянной скорости. Скорость двигателя стабилизируется и остается постоянной до тех пор, пока не наступает синхронизация с обратной связью по противо-ЭДС.

5.4.4 Фазовая автоподстройка момента коммутации

Выключается регулятор тока, остается включенным только детектирование перегрузки по току. Двигатель питается от источника напряжения. Этот переход должен выполняться очень осторожно. Текущее значение длительности цикла ШИМ (фазного напряжения) уменьшается до тех пор, пока несколько точек перехода через ноль не распознаются в пределах определенного временного интервала. Темп снижения должен быть подстроен в зависимости от применения и не должен создавать колебаний во всем приводе.

5.4.5 Работа (коммутация синхронизирована)

Для перехода в это состояние должны быть достигнуты следующие условия:

• события перехода через ноль должны быть в пределах заданного временного окна;
• броски тока на интервале одного периода коммутации должны быть ниже определенного предела.

Затем регулятор угла коммутации (PLL controller) поддерживает работу двигателя с хорошей эффективностью при требуемой скорости. Измерение тока, детектирование перегрузки по току и детектирование заклинивания ротора по-прежнему непрерывно работают.

    Литература

• Chalupa L., Low Cost High Efficiency Sensorless Drive For Brushless DC Motor Using MC68HC(7)05MC4. Motorola Semiconductor Application Note, AN1627, 1998.
• Skalka I., Low Cost Universal Motor Choper Drive System. Motorola Semiconductor Application Note, AN1661, 1998.
• Skalka I., Low Cost Universal Motor Phase Angle Drive System. Motorola Semiconductor Application Note, AN1662, 1998.
• Skalka I., Low Cost Universal Motor Sensorless Phase Angle Drive System. Motorola Semiconductor Application Note, AN1663, 1998.
• Skalka I., Chalupa, L., Visinka, R., High Voltage medium Power Board for Three Phase Motors. Motorola Semiconductor Application Note, AN1590, 1998.
• Visinka R., Low Cost 3-phase AC Motor Control System Based On MC68HC908MR24. Motorola Semiconductor Application Note, AN1664, 1998.
• Wilson D., “Get Your Motor Running” with the MC68HC908MP16. Motorola Semiconductor Application Note, AN1712, 1997.
• Wilson D., Making Low-Distortion Waveforms with the MC68HC908MP16. Motorola Semiconductor Application Note, AN1728, 1997.
• MC68HC908MR24 General Release Specifications, Motorola Inc., April 1, 1998.
• MC68HC05JJ6 General Release Specifications, Motorola Inc., September 6, 1996.

Инженеры по системным применениям,
MOTOROLA RSAL, Чешская республика
Internet: http://Design-NET.com