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空心杯电机的PWM调制及PI控制方法[作者：赵华，凌志浩 转贴自：本站原创更新时间:2008-8-5 11:10:00 文章录入：sws]摘 要：由于空心杯无刷直流电动机的独特结构，使它具有体积小、响应速度快、拖动性能好等优点，被 广泛地应用于国民经济的各个领域本文就如何运用PWM调制和PI控制对空心杯电机进行调速进行了研究 和探讨关键词：空心杯无刷直流电动机;脉宽调制；比例积分控制；The PWM and PI Control Method of the Drug Cup MotorZhao huaAbstract： Because of the special construction of the drag cup brushless DC motor, it owns s mall capacity, high response speed, good drive performance, etc. It is widely used in each f ield of national economy. This dissertation will carry on how to apply PWM and PI control in to velocity modulation.Key words: drag cup brushless DC motor; PWM; PI control;1引言空心杯无刷直流电机保持着有刷直流电机的优良机械及控制特性，在电磁结 构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁钢。

空心杯无刷直流电机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经由逆 变器接到直流电源上，定子采用位置传感器或无位置传感器技术实现电子换向代 替有刷直流电机的电刷和换向器，各项逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相 互作用，产生转矩，使电机旋转［1］和有刷直流电机相比，空心杯无刷直流电机由于消除了电机滑动接触机构， 因而消除了故障的主要根源转子上没有绕组，也就没有了电的损耗［1］又由于 主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的除轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很 小，因而进一步增加了工作的可靠性正是由于空心杯电动机这种的独特结构，才使它具有十分突出的节能、控制 和拖动特性随着稀土磁材料和功率半导体器件性能、价格比的不断提高，新的 控制技术不断出现，小功率、高性能调速电机和伺服电机（均为空心杯无刷直流 电机）在工业领域的应用变得越来越广泛本文就空心杯无刷直流电机的PWM调 制和PI控制的方法展开讨论2空心杯电机的PWM调制和PI控制方法2.1 PWM调制方式对于两相导通三相六状态的空心杯无刷直流电动机，在一个周期内，每个功 率开关器件导通120度电角度，每隔60度有两个开关器件切换因此，PWM调 制方式可以有以下五种：（1）on_pwm型、（2）pwm_on型、（3）H_pwm-L_on型、（4） H_on-L_pwm 型和（5）H_pwm-L_pwm 型⑴。

前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个60度区间，只有上桥臂 或下桥臂开关进行斩波调制其中，方式(1 )和(2)为双管调制方式，即在调制过 程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制方式(3)和(4)又称为单管调制 方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制方式(5) 又称为全桥调制方式，即在任意一个60度区间内，上、下桥臂的功率开关同时 进行斩波调制在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍与半桥 调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难因此，考虑到 功率开关的动态功耗，在PWM调制方式上应选择半桥调制方式同时，在半桥调 制方式中，双管调制方式不增加功率开关的动态损耗，并解决了由单管调制所造 成的功率开关散热不均，提高了系统的可靠性，但是实现起来较复杂因此，本 设计采用较容易实现的H_pwm-L_on型调制方式，即在各自的120度导通区间内， 上桥臂功率开关通过PWM调制，下桥臂开关管恒通2.2 PI控制方法在模拟调节系统中，PI控制算法的模拟表达式为：虹(二珥成口+££期网 (d式中，日仞为调节器的输出信号；成为偏差信号，它等于给定量与输出量之差;芬为比例系数；公为积分时间常数。

由于计算机系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算 控制量因，为了使计算机能实现式(1)，必须将其离散化，用离散的差分方程 来代替连续系统的微分方程连续系统的离散化，即£ = £T (左=0,1,2,・・・n) ⑵积分用累加求和近似得5即=加(3)式中，T为采样周期；心) 为系统第j次采样时刻的偏差值将式⑶代入式⑴，则可得到离散的PI表达式式中，『为采样周期；■长)为系统第k次采样时刻的偏差值；心)为系统第j 次采样时刻的偏差值；°)为调节器第k次采样时刻的输出信号;k为采样序号， k=0,1,2,…如果采样周期¥取得足够小，该算式可以很好的逼近模拟算式，因而使被 控过程与连续控制过程十分接近由于式(4)表示的控制算法提供了执行机构得 位置，所以通常把式⑷称为PI的位置式控制算式或位置式PI控制算法 其控制原理图如图1所示⑶Ut) + € (±)"一 一*叫位置算法—*控制对象图1 PI位置式控制原理图如果在式(4)中，令(称为积分系数)此即为离散化的位置式PI控制算法得编程表达式由式⑸可以看出，每次输出与过去的所有状态有关，要想计算”@)，须将 历次心＞ 相加，计算复杂，浪费内存。

下面，我们来推导计算较为简单的递推 算式为此，对式(5)作如下变动：考虑到第k-1次采样时有*8质氐必森5 (6)使式(5)两边对应减去式(6)，得虹的7奁-])二理或此)-或卜•£＜©] ⑺ ’整理得虹食)二1＜伊一4■直孔(14■三-e(Jt一明二1/世一 Ft)D⑻式中，，式(8)就是PI位置式算式的递推形式⑶，称为PI的增量式控制算式或增量 式PI控制算法，本设计就是采用这种算法进行PI控制的3.1电源电路的设计本设计采用性价比较高的C8051F330单片机芯片作为系统的控制器为了使 芯片能正常工作，四需要在该芯片的引脚提供一个3.3V的电源为此，本设 计采用ROHM公司的BA033CC0专用稳压芯片为C8051F330提供电源，它的最大 输出电流1A，最高输入电压35V，内置过压保护电路，3.3V稳压输出图2稳压电源电路图其稳压电路如图2所示，其中E+由外接电源提供电容C17、C18起稳压作 用，消除振荡和外界干扰，LED灯检验有无输出电压，R6限制流过LED灯的电流 3.2主电路设计图3所示的是三相桥式主电路图中，上桥臂三个开关管Q1、Q3、Q5是P 沟道功率MOSFET，栅极电位低电平时导通；下桥臂三个开关管Q2、Q4、Q6是N 沟道功率MOSFET，栅极电位高电平时导通。

这六个MOSFET管栅极驱动信号由芯 片IR2103S提供在三角形联结定子绕组的每一相绕组上都并联了阻容滤波电路， 由于空心杯电机定子绕组的阻值只有几欧姆甚至零点几欧姆，而阻容滤波电路的 电阻有20K，所以阻容滤波电路不会对定子绕组的电流和端电压波形造成不利影 响当然实际的硬件电路还包括C8051F330的单片机芯片、与仿真器的接口电路、 直流母线稳压电路及其检测电路、逆变驱动电路及反电动势检测回路和转速设定 值采样电路等这里由于篇幅所限不再赘述图3三相桥式主电路主程序流程图如图4所示在主程序开始，先关闭了看门狗功能，因为看门 狗功能会限制对某些PCA寄存器的访问接着，完成系统初始化，包括：系统时 钟、I/O 口、ADC、定时器、PCA、中断和变量的初始化等待系统上电后，检测 电机旋转方向设定，起动电机，并使电机运行在稳定的状态当电机发生堵转时， 反电动势为零，这将导致电机无法正常换相，而且堵转电流很大，容易烧坏电机 因此，若反电动势检测超时，即电机堵转时，使系统重启，以保护电机不会长时 间受大电流冲击当设定的旋转方向与电机实际的旋转方向相反时，需要先让电 机制动，然后再反向起动下面对程序中的几个重要模块作简要介绍。

图4主程序流程图4.1 PWM调制4.1.1 PWM 频率为了使电机空载或轻载时电流连续，PWM的频率需要在15KHz以上，但过高 的PWM频率会使MOSFET管功耗增加，温度升高，甚至导致MOSFET烧坏所以， 本设计使PCA定时器工作在16位PWM模式，PCA定时器时钟采用系统时钟的12 分频，即2.0417MHz，从0xFF87开始计数，直到0x0000溢出这样，PWM的频 率为2.0417M /0x0078=17KHz，刚好符合要求由于PCA定时器不是从0x0000 开始计数，所以每次溢出中断后，必须在中断服务程序中对PCA定时器重新赋初 值，这样才能保证PWM的频率维持在17KHz4.1.2 PWM占空比调节方法PWM的占空比可以通过改变寄存器PCA0CPH0： PCA0CPL0的值来调节，从而 达到调速的目的在本设计中，由PI控制算法的控制量来对占空比进行调节由于要满足17 KHz的PWM频率，PCA定时器是从0xFF87开始计数的，所以用 设定寄存器PCA0CPH0： PCA0CPL0的值时，应该作出相应的调整，使寄存器PCA0 CPH0： PCA0CPL0 的值在 0xFF87〜0xFFFF 的范围内。

4.1.3 PWM对反电动势检测的影响及解决方案因为采用了 PWM调制方式，在PWM波形输出低电平时，直流母线电压与电机 的定子绕组断开，使端电压波形不再是平滑的梯形波，不能用于反电动势过零检 测因此，本设计在PCA定时器每次溢出中断时，即？咖波形下降沿，清零反电 动势检测标志位flagEMF，启动定时器T1，使定时器T1在PWM波形高电平中间这一时刻产生中断，如图5所示而定时器T1的中断服务程序使反电动势检测 的标志位flagEMF置1，表示此时可以进行反电动势检测，同时关闭定时器T1， 等到下一次PCA定时器溢出中断时再启动它MF=-iflagEW-0~| \ \ I fhgEI启劫定明器枷碧口赢T1 出中断图5 PWM波形与定时器T1的关系4.2 PI控制本设计采用统计一段时间内的换相次数来计算电机的实际转速如果采样周 期太短会使测得的换相次数很少，甚至不到一次，乘以反馈系数后会产生很大的 误差所以，本设计的采样周期为0.3s，即每隔2400次T0中断进行一次采样， 即调用PI控制子程序PI子程序的框图如图6所示其中，反馈系数的选取， 应该使全压起动时的转速反馈值等于最大转速设定值（全压起动指直流母线电压 为24V，占空比为100%）。

这样，才能使数字PI控制器给出正确的控制量2计博齐虎时何皂 常魔的世，关港建设募.言的控与一 曾设定占空比削曲莓琶T技与一理控迁皇瘫觇一 E暮诃整到 苴氐壬克H内乱顷反支系敏座与一 jTWi-反控寻图6 PI控制子程序流程图5实验结果本课题经过理论研究、硬件设计、软件编程和系统调试，完成了空心杯无刷 直流电动机PWM调制和PI控制的闭环调速系统的设计上桥臂驱动芯片输出的 PWM波形如图7所示图7上桥臂驱动芯片输出的PWM波形空心杯电机运行时的端电压波形如图8所示由图可见，空心杯电机的端电 压是一个不平滑的梯形波，这是由于PWM所全，它始终在0〜Us之间变化图8空心杯电机的端电压波形由于时间与能力有限。