基于C868的低成本開關磁阻電機控制系統(tǒng)

　　開關磁阻電機(SRM)具有諸多明顯優(yōu)勢，例如結構簡單、高起動轉矩、高效率、高可靠性和低成本等等，正不斷引起各行各業(yè)的關注。圖1(a)所示為一個典型的6/4三相開關磁阻電機。電機為雙凸極結構，轉子既無繞組也無永磁體；定子各極上繞有集中繞組，徑向相對極的繞組串聯，構成一相。開關磁阻電機的運行基于“磁阻最小”原理—磁通總是要沿磁阻最小的路徑閉合，因磁場扭曲而產生磁阻性質的電磁轉矩。在電機運行時, 每相繞組只有在該相電感處于增加階段時通電,而在電感處于減少時必須斷電。圖2(b)所示為該電機相應的主電路。兩個半導體開關器件必須同時導通, 兩個二極管在兩個半導體開關器件關斷時同時導通。決定電機轉子旋轉方向的是各相繞組的通斷點順序(換流表)而不是電流方向。顯然，電機的換流時刻與轉子具體位置直接相關。

　　必須特別指明的是正轉矩(電動轉矩)只有當電機電感增加階段才能得到,而在電感處于減少時只能得到負轉矩(制動轉矩) 。因此相電流的大小以及開始和截止的確切時刻是決定開關磁阻電機最終運行性能的關鍵因素。

　　無論系統(tǒng)采用何種控制策略, 在開關磁阻電機控制中需要用到下列兩種PWM調制方法。

　　·電壓型PWM調制 - 低速區(qū)域

　　如圖2所示, 當電機轉速較低時,兩次換流之間的間隔足夠大, 常見的固定頻率電壓型PWM調制用于控制電流幅值及其變化。

　　·單脈沖觸發(fā)模式 - 高速區(qū)域

　　隨著電機的轉速不斷增加, 換流間隔的不斷減小以及反電勢的影響日益明顯, 相電流的調節(jié)越來越困難。最終當電機轉速達到一定值后, 已無法通過控制相電流的幅值及其變化來調節(jié)轉速, 而只能通過控制相電流導通和截止的時刻來達到控制電機轉速的目的, 此時電機處于單脈沖觸發(fā)運行模式, 如圖2所示。在這種模式下, 通過不斷調整各相電流的導通和截止時刻, 就能保證在正轉矩產生區(qū)域及時加上電流, 而在負轉矩區(qū)域來臨之前及時關斷電流， 從而保證電機的正常運行。

　　C868和CAPCOM6E

　　C868是英飛凌8位單片機產品家族中的新成員，可為各種應用和系統(tǒng)提供低成本的先進控制功能。對于研發(fā)和批量生產，SRAM型號可以最低的系統(tǒng)費用實現高度的靈活性。對應的ROM型號能進一步降低成本。借助功能強大的片上PWM發(fā)生單元CAPCOM6E，C868滿足了對低成本、高實時性的電力電子控制的所有要求。利用靈活的CAPCOM6E，由硬件/軟件處理所有對時間要求十分苛刻的任務，而CPU則處理用戶命令，并可進行相應的控制運算。內置的5通道/8位ADC所具備的同步特性有助于測量無噪音相關系統(tǒng)參數。

　　CAPCOM6E是一種功能強大、靈活的比較捕捉單元，可驅動多種類型的電機(交流異步電機IM、直流無刷電機BLDC和開關磁阻電機SRM等)，是基于此類PWM單元十多年的研發(fā)的最新成果。

　　CAPCOM6E具備以下特性：

　　·2個獨立的帶預分頻器的16位計時器。

　　T12具有三個捕捉/比較通道，每個通道有兩個輸出，可用作捕捉通道或比較通道，并且具備死區(qū)時間控制，可避免功率電路出現短路。T12有中心對齊、邊緣對齊、單脈沖觸發(fā)模式和滯環(huán)控制等控制模式，可用于控制感應電機IM、直流無刷電機BLDC和開關磁阻電機SRM。

　　對于開關磁阻電機, 其單脈沖觸發(fā)模式可用于電機高速區(qū)域的控制。

　　T13有一個獨立的比較通道和一路輸出，可生成高速PWM信號，并控制占空比。T13也支持單脈沖觸發(fā)模式，可與T12同步。PWM信號可自動迭加至T12的六路輸出中任何一個(或全部)的有效電平上。

　　對于開關磁阻電機，在低速區(qū)域, 可以通過T13 PWM的占空比控制電機的相電流幅值及其變化， 從而調節(jié)電機速度。

　　所有計時器輸出信號均可在一個多通道控制模塊中進行配置和變更。

　　·CAPCOM6E還能檢測轉子位置， 并帶有噪聲濾除功能。

　　·CAPCOM6E的另一個重要功能是緊急中斷輸入CTRAP—該功能確保當電平低時CAPCOM6E中T12的六個輸出處于用戶預先定義的狀態(tài)。

　　如圖3所示，CC60-CC62和COUT60-COUT62是用于驅動電機的六個基本輸出信號。對于開關磁阻電機控制，轉子位置反饋信號由CCPOS0-CCPOS2輸入。T13生成的高頻PWM信號將以高達50ns的分辨率，加至T12的CC60-CC62和COUT60-COUT62輸出中的任何一個的有效電平。CTRAP是緊急中斷輸入。如果該輸入為低，CC60-CC62和COUT60-COUT62將立即變?yōu)轭A定義的電平，以實現過流/過壓保護。用戶僅需設置各種寄存器的值，例如周期寄存器、比較寄存器、偏移寄存器等等，即可輕松快捷地控制CAPCOM6E。

　　圖4所示為一個基于C868的開關磁阻電機 系統(tǒng)框圖。圖中，電機是圖1(a)所示的6/4三相開關磁阻電機。該電機帶有轉子位置反饋(霍爾傳感器)。主電路采用常見的(一相)雙開關結構。這兩個開關都由高頻PWM信號控制。C868的CAPCOM6E首先工作在多通道模式, 按照轉子位置反饋信號輸出固定頻率的電壓型PWM控制信號, 把電流控制在指定范圍。直流母線電流由A/D轉換器輸入。該A/D轉換器由CAPCOM6E的T13同步觸發(fā), 可躲過電流尖峰，采入真實的電流信號。當電機轉速達到一定值后，CAPCOM6E 轉入單脈沖觸發(fā)模式。此時A/D轉換器由T12同步觸發(fā)。圖5所示為低速區(qū)域的PWM輸出波形和相電流波形。

　　結語

　　本文介紹了采用英飛凌最新推出的8位單片機 C868及其功能強大、靈活自如的PWM發(fā)生單元CAPCOM6E實現開關磁阻電機控制系統(tǒng)的方法。除了一般常見的PWM控制外, C868的CAPCOM6E特設單脈沖觸發(fā)模式,專門用于開關磁阻電機的高速區(qū)域的控制。C868所帶A/D轉換器的同步功能可以進行精確的無噪聲的電流測量, 對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也有很大的幫助。