电机控制

导读:电机控制的保护工作对整个系统至关重要,是评估控制系统性能的重要指标。在对电机进行控制时,非常容易出现过流、堵转、短路、过压、欠压、漏电、过热等各种异常情况,本文给大家介绍S12ZVM常见的电机保护手段!

概述

在对电机进行控制时,非常容易出现过流、堵转、短路、过压、欠压、漏电、过热等各种异常情况,在这种情况下,就需要一些保护手段,来保障整个系统安全并且使其恢复正常工作。

所以说电机控制的保护工作对整个系统至关重要,是评估控制系统性能的重要指标。

S12ZVM是NXP推出的一款专门针对电机控制的单芯片解决方案,其针对电机控制的保护手段完全满足目前系统要求,接下来将为大家简单介绍本方案及其一些主要的保护手段。

方案简介

史上最强电机控制安全攻略!

S12ZVM系列产品是NXP为BLDC和PMSM控制精心设计的单芯片解决方案,内部集成了S12Z内核的处理器、栅极驱动器、稳压器、两路运放、CAN控制器、LIN收发器等,完全满足电机控制的应用,其资源基本上是为电机控制量身打造!

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保护手段

1、快速的过流保护

当发生电机堵转、MOS短路等异常情况时,电流往往非常大,严重影响控制系统安全,保护应能在极短的时间内响应。

S12ZVM内部集成两路运放,下图是其电流处理示意图。

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  •   Q1是一个运放,可放大采样电阻电压,其输出可直接给到内部ADC;
  •   Q2是一个比较器,比较器的负输入端是过流阈值(GOCT),当通过放大后的电压超过阈值,可直接触发中断,这部分功能通过寄存器设置,上电初始化之后是纯硬件操作,反应极快。

2、可靠的堵转检测

当电机发生负载过大、异物卡死、机械故障、轴承损伤等情况时,如果没有传感器的位置信号,电机极易堵转。

S12ZVM在基于方波和正弦波时有不同的堵转检测策略。

在方波方案中,当电机稳定运行时,连续的几个周期的换向时间差异不会很大。正是基于这点,通过判断连续六次换向时间平均值是否介于最大值的一半、最小值的两倍之间,可轻松的监控电机是否换向异常,如果连续多次换向异常,则很有可能产生堵转。

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正弦波的检测方法相对方波较为复杂,采用的是反电动势校验法。首先,我们可以通过转速和反电动势系数计算到一个反电动势值;其次,我们还可以通过αβ坐标系的电压和电流来计算得到一个反电动势,如果多个周期内算得两者差异比较大,则很有可能产生堵转。

S12ZVM针对上述两种方案都有高可靠性、高成功率的代码供参考。

3、灵敏的过压保护和欠压保护

电机在低电压运行时转矩急剧下降,将造成电动机严重过载,电机的自启动将发生困难。当电压过高时,容易造成电机绕组绝缘击穿,损坏电机。

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针对过压和欠压,常用的方式是通过采集母线电压来判定。S12ZVM内部的HD可直接采集母线电压,并且直接送到内部ADC。同时,还可以设置欠压和过压阈值,一旦超过阈值,直接触发中断。

4、省心的温度检测和过温保护

S12ZVM内部集成温度传感器,可直接检测芯片晶圆温度。S12ZVM的Vbg REF和温度传感器复用同一个内部ADC通道,可以通过VSEL选择,运行中可以更新,方便又省心。同时还可以设置高温检测中断,如果高于设置的阈值,则直接触发中断。

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采集出来的值可以通过如下公式进行换算,特别需要说明的是,S12ZVM温度传感器需要进行补偿和参数调整,才会使得结果更加真实。

VHT(temp) = VHT(150) - (150 - temp) * dVHT

结束语

S12ZVM是为BLDC和PMSM控制量身打造,内部集成控制所需的所有资源,使得电机控制简单而又高效。ZLG具有丰富的电机控制经验、强大的技术支持团队,帮助您缩短开发周期,再也不用担心电机控制安全了!

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来源: 周立功单片机

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1 系统设计原理

步进电机控制系统主要由单片机、键盘LED、驱动/放大和PC上位机等4个模块组成,其中PC机模块是软件控制部分。为保护单片机控制系统硬件电路,在单片机和步进电机之间增加过流保护电路。图l为步进电机控制系统框图。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图1 步进电机控制系统框图

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机模块

单片机模块主要由MSP430FG4618单片机及外围滤波、电源管理和晶振等电路组成。

MSP430FG4618单片机内部的8 KB RAM和116 KB Flash满足控制系统的存储要求,P1和P2端口在步进电机工作过程中根据按键状态判断是否跳入中断服务程序来改变步进电机的工作状态,USART模块实现单片机和PC上位机之间的通信,实现PC机对步进电机控制。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图2 单片机模块设计结构框图

2.2 键盘/LED模块

为实现人机对话,该系统设计扩展了3x4按钮矩阵键盘和4片8段LED数码管,可手动直接操作该控制系统。

系统上电后,通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等,由LED管动态显示步进电机的转速和转向。键盘的输入和LED管的输出由8279进行控制,减少单片机工作负担。

8279编程工作在键盘扫描输入方式,读入键盘时具有去抖动功能,避免误触发。图3为键盘LED模块设计结构框图。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图3 键盘LED模块框图

2.3 驱动/放大模块

控制系统采用步进电机控制用的脉冲分配器(又称逻辑转换器)PMM8713,该器件是CMOS集成电路,相输出驱动能力(源电流或吸入电源)为20 mA,适用于控制三相或四相步进电机,可选择下列6种激励方式:三相步进电进:1相,2相,1-2相;四相步进电进:1相,2相,1-2相。输入方式可选择单时钟(加方向信号)和双时钟(正转或反转时钟)两种方式,具有正反转控制、初始化复位、原点监视、激励方式监视和输入脉冲监视等功能。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图4 驱动放大电路

3 系统软件设计

3.1 单片机程序

利用单片机的定时器TIMER_A(TA)中断产生脉冲信号,通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数,通过PWM实现转速控制;利用P1.0端口的中断关闭TA中断程序,并推入堆栈,停止电机;P1.1中断则开启TA中断,堆栈推入程序计数器(PC),开启电机;P3.1端口输出高电平由PMM8713的U/D端口控制电机的转向;P3.0~P3.7端口接8279的8个数据接口,当单片机扫描到矩阵键盘有键按下时,利用P2端口的中断设置TA,控制启停、调速和转向等,同时单片机反馈给8279控制LED管显示转速和转向。其程序流程如图5所示。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图5 单片机程序流程

3.2 PC上位机模块

PC上位机模块实现PC机对步进电机的控制。利用MSP430单片机的USART模块实现与PC上位机的通信,PC机通过串口向单片机发送控制命令,实现电机控制。

单片机所接收到控制命令暂存在RXBUFFER中,然后与存储在片内Flash的中断程序的入口地址相比较,相同就进入中断,实现步进电机的控制。操作该模块时需要开启8 MHz晶振为USART模块设置波特率(设置波特率为9 600)。

控制软件由VB6.0编写,利用MSComm控件实现串行通讯功能。其控制软件界面如图6所示。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
图6 控制软件界面

4 系统检测

为检验该控制系统的实际工作情况,在给定PMM2101输出工作电流的状态下采用能量转化法测得步进电机输出的最大静转矩。选取输出电流间隔0.2 A,测到步进电机最大静转矩与电流之间关系的静特性曲线,如图7所示,说明该控制系统设计较合理。

5分钟实现单片机步进电机控制设计
静特性曲线

来源:电子发烧友网

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自1831年英国M.法拉第造出第一台手摇圆盘直流发电机,电机已经有超过180年历史,电机是一种利用电和磁的相互作用实现能量转换和传递的电磁机械装置,广义的电机包括电动机和发电机。电动机从电系统吸收电能,向机械系统输出机械能,各种类型的电动机广泛应用于国民经济各部门以及家用电器中,主要作为驱动各种机械设备的动力,实际上,电机是名副其实的“用电大户”,消耗了全球70%以上的工业用电,在我国,各种电机的总耗电量占全社会用电总量的60%以上,在目前绿色、节能、减排严峻形势下,高效能电机方案需求很大,Microchip针对本土需求可以提供包括有刷直流、无刷直流、步进电机、交流感应电机在内的高效能方案。

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Microchip提供全系列的MCU,用于从低成本8位器件到高性能16位和32位器件的电机控制。这些器件包含创新的电机控制PWM外设,包括互补波形和专用时基。高性能dsPIC®DSC内核包含DSP指令,可以更加精确地控制需要恒定转矩变速和面向磁场控制的应用,以获得更高的效率。

Microchip支持基于ARM®Cortex®M0,M4和M7的广泛产品组合,以及基于32位MIPS的PIC32MK系列,为寻求使用DSP扩展的32位浮点处理的客户提供支持。单芯片电机控制和电机驱动解决方案可实现更简单的设计并减少电路板空间。这些器件通常用作PIC®单片机和dsPIC®数字信号控制器的配套芯片。Microchip提供全系列的MCU,用于从低成本8位器件到高性能16位和32位器件的电机控制。这些器件包含创新的电机控制PWM外设,包括互补波形和专用时基。高性能dsPIC®DSC内核包含DSP指令,可以更加精确地控制需要恒定转矩变速和面向磁场控制的应用,以获得更高的效率。

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1、有刷直流电机方案

Microchip有刷直流电机控制方案基于其用于有刷直流电机控制的MCU,栅极驱动器和点火控制器等。这些MCU可用于各种通用和低功耗应用。具有多个PWM,多种通信,温度传感器和内存访问分区(MAP)等功能。

有刷直流电机以用于换向的“电刷”命名。转子或电枢的绕组上有一个换向器。电刷与换向片接触和断开,从而将电源换向到电枢。有刷直流电机很容易控制,因为速度和转矩与施加的电压/电流成正比。

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Microchip有刷直流电机控制方案的特点是良好的可控性、线性转矩/电流曲线、速度与施加的电压成比例、低散热等。

2、无刷直流电机控制方案

Microchip无刷直流电机基于其一系列MCU的点火控制器和无刷直流电机控制驱动器。这些器件在功耗极低的嵌入式应用中非常有用,有非常出色的高效能,这些方案包括用于汽车和工业应用的完整电机控制和驱动解决方案。

Microchip 无刷直流电机应用还包括防锁刹车系统、磁盘驱动器伺服、油门控制等。

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3、步进电机

Microchip的步进电机控制方案基于其全系列MCU,数字信号处理器和控制器。 Microchip数字信号控制器和微控制器具有增强型内核,具有独特功能,可用于小型电机和通用应用的嵌入式控制。这些器件专为高效率系统设计而开发,重点在于降低电机系统整体功耗和成本。

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4、交流感应电机

交流感应电机(ACIM),有时被称为鼠笼式电机,是消费和工业应用中最受欢迎的电机之一。感应电机是迄今为止所有工业电机中最大的一组,将大约70-80%的全部电能转换成机械形式。

Microchip的交流感应电机方案基于其用于有刷交流感应电机控制的全系列MCU。该器件专为设计高效率系统而开发,重点在于降低功耗和成本。这些器件具有智能模拟和独立于核心的外设(CIP)等基本外设,以及针对各种低功耗应用的超低功耗(XLP)通信功能。

交流感应电机主要应用是空调和冰箱压缩机、家用电器、水泵、 鼓风机、工厂自动化、电动工具等。

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5、永磁同步电动机

永磁同步电机(PMSM)具有很高的可靠性和高效率。永磁同步电机可以帮助您在不减少损耗的情况下缩小设计扭矩。永磁同步电机需要像无刷直流电机那样换向,但需要更复杂的控制算法,因此需要性能更高控制器,如Microchip的dsPIC DSC和32位PIC32MK或基于Cortex M的解决方案等。

Microchip提供开发工具和应用笔记来帮助您开发先进的PMSM控制诸如无传感器磁场定向控制(FOC)等解决方案。

永磁同步电机典型应用包括
• 空调和冰箱压缩机
• 直接驱动洗衣机
• 汽车电动助力转向
• 加工工具
• 牵引控制
• 工业缝纫机

对于电机控制,Microchip始终追求在降低成本(例如减少永久磁铁的使用)的同时,能够达到电机高转矩输出和高效率。这正是工业控制、白电和汽车这三个应用领域所需要的。着对于电机效率要求的提高,寻求具有更高性价比的替代越来越成为重中之重。Microchip公司一直致力于提高并改进外设性能,提供优秀平台,助力客户开发出具有高品质的产品,可以给您提供所需的高效能电机控制方案,我们可以自豪地说,“总有一款电机控制方案适合您!”

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前方高能~福利来啦!

为帮助大家了解Microchip高效能电机控制方案,贸泽电子微信特举办一次福利活动,只要大家在留言处回答我们提出的问题,我们会抽取10名幸运儿送出夏季清凉套装(礼品是:小米移动电源+小米风扇)欢迎参加活动!

问题

问题1:Microchip高效能电机控制基于多少位MCU?

问题2:Microchip哪些器件可以实现永磁同步电机?

欢迎各位点击以下按钮,在后台留下您的答案,礼品有限,先到先得哦!

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电机控制单电阻采样机制是在一个 PWM 波形内采集两相电流 ADC 数据,但某些扇区边界条件下只能获得一路电流 ADC 数据, 需要对 PWM 波形进行变形用于构造电流采样区域。

背景介绍

根据电机控制拓扑结构,单电阻采样在一个 PWM 控制周期内可以取得两相电流数据:

电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

在扇区边沿无法获得两相电流信号。
电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

波形产生

ST 专利的方法是在波形的中间部分产生变形波形,在变形后的波形上就可以得到两相电流 ADC 数据;

电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

当然还有目前比较流行的波形移位方法也可以做到相同效果。 波形如下:
电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

STM32 系列单片机 Timer 有足够的功能,可以产生上面两种波形,机制如下:

PWM 波中间变形

电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

1. 设定 CCR4 的 DMA 通道,并且设定此时 Timer1 的 preload 为禁止状态;

TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Disable);

2. 在 CCR4 比较值部分产生 DMA 事件;

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)(&(TIM1->CCR1));
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)(uint32_t)(hDmaBuff2);
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 2u;
….
TIM_DMACmd(TIM1,TIM_DMA_CC4,ENABLE);

3. 在 1 点上将 CCR1 数据直接修改为周期数据+1;

4. 在 2 点上将 CCR1 数据修改为 CCR1’的数据;

5. 时间计算上按照上面的图示设定,中间凹陷时间为两边补充波形时间之和。

波形移位变形

电机控制单电阻采样 PWM 变形信号产生

1. 设定 Timer1 的 update 事件的 DMA 通道

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)(&(TIM1->CCR1));
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)(uint32_t)(hDmaBuff2);
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 2u;
……
TIM_DMACmd(TIM1,TIM_DMA_Update,ENABLE);

2. 在 1 点上更新 CCR1 数据为 CCR1 数据;

3. 在 2 点上更新 CCR1 数据为 CCR1’数据;

4. 保证前后的移位时间相同。

来源:ST意法半导体

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通过使最新的STM32 PMSM FOC软件开发套件(SDK)支持STM32Cube开发生态系统(订货代码: X-CUBE-MCSDK),意法半导体进一步简化在STM32* 微控制器上开发先进的高能效电机驱动器的难度。此举为空调、家电、无人机、楼宇自动化、机床、医疗设备、电动车等产品设备工程师研发先进电机驱动带来更多机会,而且无需专门的研发经验。

基于意法半导体上一代永磁同步电机(PMSM)矢量控制(FOC)SDK,5.0 新版固件库结合STM32Cube硬件抽象层(HAL)和底层(LL)架构,简化电机驱动电路的开发、定制和调试过程。此外,免费使用源代码让开发人员能够按照市场需求灵活地设计应用方案,加强电机的控制和定制功能。

作为MC-Workbench 5.0的新功能,图形用户界面(GUI)可以利用STM32CubeMX工作流程创建项目,配置微控制器外设,自动生成初始化代码,还能让用户在项目开发调试过程中实时监视并修改控制回路参数。

新套件包含实现受市场欢迎的PMSM控制技术所需的各种算法,例如,最大限度提升能效和处理负载条件不断变化的最大转矩电流比 (MTPA),以及用于扩大速度范围的弱磁控制和用于强化高转速稳定性的前馈控制。其它功能包括当转子已经在旋转时确保驱动平稳插入的 “运转中启动”功能,室外空调机的风扇或排风扇通常离不开这项功能。

用户可以利用经过市场检验的强大的SDK功能,例如,Motor Profiler有助于快速评测电机的大多数性能,自动检测电气参数(定子电阻(Rs)、电感(Ls)和电机电压常数(Ke))以及机械摩擦和惯性特性。新套件支持各种灵活的电机控制策略,包括基于单路或三路分流电阻的电流检测或隔离型电流检测(ICS)方法,使用编码器或霍尔传感器的转子位置检测或无传感器控制技术。利用很多STM32产品的丰富模拟功能和多个电机控制定时器,新SDK还支持双电机控制应用。

最新的STM32 PMSM FOC SDK免费下载网站: www.st.com/x-cube-mcsdk .

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