｜０｜。ｌｌｌ｜ｌｌ … － ｌｌ。 ＰＩＣ１ ６Ｆ１ ５０８的开关磁阻电机伺服系统设计 赵波，李玉美，王晓明 （辽宁工业大学机械工程与自动化学院，锦卅ｌ １２１００１） 摘要：本文以ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机为控制核心，利用其ＰＷＭ模块、ＣＬＣ模块、ＴＭＲ１模块的组合进行脉宽调制和速度检 测，使用开关磁阻电机专用驱动功率芯片ＦＣＡＳ２ＯＤＮ６ＯＢＢ作为驱动，实现对开关磁阻电动机的伺服控制。本控制系统 结构简单，减少了外部逻辑器件的使用，并且提高了系统的可靠性、大大降低了系统的成本。通过使用３７０Ｗ、四相８／６ 极开关磁阻电机作为控制对象，取得了较好的实验效果。 关键词：开关磁阻电机；ＰＩＣ１６Ｆ１５０８；ＣＬＣ；ＰＷＭ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＯ １ ６Ｆ １ ５０８＊－ Ｚｈａｏ Ｂｅ，Ｌｉ Ｙｕｍｅｉ，Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｍｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔａｋｅｓ ＰＩＣ１６Ｆ１５０８ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｓ ＰＷＭ ｍｏｄｕｌｅ，ＣＬＣ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ＴＭＲ１ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｈｉｐ ＦＣＡＳ２０ＤＮ６０ＢＢ ａｓ ａ ｄｒｉｖｅｒ ｔＯ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｅｓｓ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ３７０Ｗ，ｆｏｕｒ ｐｈａｓｅｓ ８／６ ＳＲ ｍｏｔｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｍｏｔｏｒ；ＰＩＣ１６Ｆ１５０８；ＣＬＣ；ＰＷＭ 要由控制器、功率变换器、位置检测和开关磁阻电机４部 引 言 开关磁阻电机（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｍｏｔｏｒ，ＳＲＭ）因 分组成，其系统结构如图１所示。 电 能 输 入 其结构简单、成本低、可靠性高、效率高、启动转矩大以及 调速范围广的优点，广泛应用于航空航天、家用电器、机械 及电动车辆等领域 ｆ。因此，对开关磁阻电机伺服驱动系 统的技术研究，一直是机电一体化领域的热点。本文以 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机为控制核心，与专用驱动功率芯片结 合，设计了一款可靠性高、价格低廉、性能稳定的开关磁阻 电机伺服控制系统。 机械输出 图１ 开关磁阻电机伺服系统组成 ２系统硬件设计 该伺服控制系统的硬件部分主要包括控制器 （ＰＩＣ１６Ｆ１５０８）、功率变换器电路、换相控制电路、速度检 测电路、键盘显示电路等，其硬件结构框图如图２所示。 １ ＳＲ电机伺服控制系统组成 开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原则”，即磁通总 是沿着磁阻最小的路径闭合，从而迫使磁路上的导磁体运 ２．１ 控制器 控制器选用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司生产的８位单片机 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８，它具有高性能的ＲＩＳＣ ＣＰＵ、丰富的外设特 性，并且具有ＸＬＰ超低功耗管理功能。选择ＰＩＣ１６Ｆ１５０８ 单片机主要考虑的是使用其４个可配置逻辑单元ＣＬＣ。 动到使磁阻最小的位置为止。以四相８／６极开关磁阻电 机为例，定子上有Ａ、Ｂ、ｃ、Ｄ四相绕组，按照既定顺序依 次给四相通电，就可以实现电机的运转。开关磁阻电机运 行在连续的开关状态，因此开关磁阻电机伺服控制系统主 ６ ６ Ｍｉｏｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １５年第６期 ｗＷＷ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｒｎ．ｃｎ ｉ 单片机不同的信号，通过单片机使能不同 Ｔ中堑捡△ ＲＡ２ 复位引脚 ＴｌＧ ＲＢ７ ＲＣ０ ＲＣ１ ＲＣ５ ＲＡ３ 墨 下桥臂Ｌ＿。— Ｌ＿１—Ｔ 下桥臂 开关 磁阻 电机 的相进行通断，以此实现电机的换相。在 ｓ、Ｐ信号进入单片机之前，要进行光电隔 ＲＡ４ 离，从而防止信号受到外部的干扰，使用型 号为ＨＣＰＬ一４５０４的光电耦合器完成。采 用双四拍的工作方式，令逆时针为反转，顺 时针为正转。因此，正转通电顺序为ＡＤ— Ｓ和Ｐ信号异或 后由ＣＬＣ４输出 输入￣ＩＪＴＭＲ１ 门控 ＣＬＣ４ ＲＣ４ 正反转ｌ ＲＣ７ — 口 ＤＣ—ＣＢ—ＢＡ，反转通电顺序为ＡＢ—ＢＣ— ＣＤ—ＤＡ，Ｓ、Ｐ两相在正转和反转时的不 ＲＣ２ ＲＣ３ ＣＬＣＣ４ＩＮＩ１ ＲＡ１ ｒｃＬＣ４ 按 ＳＤＡ ＲＣ ＲＡ５ ＲＢ５ Ｉ 信 入 同励磁相如表１所列，换相外部电路如 图４所示。 ＳＣＫ ＲＢ４ ＲＢ６ ＲＡｏ 光耦Ｉ ｓ相 隔离Ｉ信号输入 ２．４速度检测电路 开关磁阻电机内部定子上的两个光电 脉冲发生器发出的周期为６Ｏ。，且有相差 １５。的方波，这在换相时是十分有用的，但 图２系统硬件结构框图 Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司创新性地把电路中可能用到的逻辑功能集 成到单片机的内部，即可编程逻辑单元ＣＬＣ。这个模块 是在速度检测时，已经达不到所需的精度要求，通常的做 可以提供可超越软件执行速度而工作的可编程逻 辑 ，大大地简化了电路的复杂性，并且由于外部逻辑器 法是将Ｓ、Ｐ两相信号异或，使其成为一个周期为３Ｏ。的方 波信号。如图２所示，ＲＡ１、ＲＢ５分别作为ＣＬＣ４的输入 件的减少，系统的可靠性得到了一定程度的提高。 目前在开关磁阻电机控制系统的设计中，控制外部开 关管工作时，总是由内部发出一路波形，外部通过简单的 信号，利用ＣＬＣ４的内部异或逻辑将Ｓ、Ｐ两相信号异或， 可以达到目的，并且减少了外部逻辑器件的使用。 表１ ＳＲ电机正反转控制字 位置检测信号 ＲＡ０（Ｓ） ０ Ｏ 逻辑器件进行逻辑转换，产生可以控制开关管工作的４路 或者多路波形，而通过使用ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机就可减少 应励磁的相及ＲＣ口电平信号 ＲＣ口 Ｏ２Ｈ ２ＯＨ ＲＢ５（Ｐ） 顺时针转 Ｏ １ 逆时针转 ＣＤ ＢＣ ＲＣ口 ２ＯＨ ２４Ｈ 这些外部逻辑器件的使用。外部电路连接如图２所示， ＲＣ３、ＲＣ６作为ＣＬＣ２、ＣＬＣ３的输人信号，仅需要把ＲＣ２、 ＲＣ３、ＲＣ６连接起来，由ＲＣ２输出信号，并与ＣＬＣ２、ＣＬＣ３ 的另一路输入信号ＰＷＭ４ＯＵＴ进行逻辑运算，就可以产 生输入到功率变换器的所需波形。 ＡＤ ＣＤ １ １ ０ １ ＡＢ ＢＣ Ｏ６Ｈ ２４Ｈ ＡＤ ＡＢ Ｏ２Ｈ ０６Ｈ 速度检测的准确是实现速度伺服控制的基础，虽然 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机没有捕捉功能，但是其ＴＭＲ１模块自 ２．２功率变换器 功率变换器在开关磁阻电机伺服控制系统中有着重 要的地位，它直接连接电源和电机绕组，是电能转化为机 械能的通道，是保证实现控制的根本。通常，功率变换 带门控使能计数的功能，可以把Ｓ、Ｐ相信号异或后作为 ＴＭＲ１的门控信号输入源，以系统时钟的８分频为ＴＭＲ１ ｒＮ（ＵＨ）Ｐ １０Ｉ－。’ 器在整个系统中所占的成本比重最高，因此功率变换器 的合理选择可以有效降低系统成本。 ＩＮ（ＶＨ）ＶＢ（ＩＪ） 上 ２ Ｉ Ｉ ｌ ＩＮ（ＶＬ） ＩＮ（ＵＬ）ＶＳ㈣，Ｕ＋ ９ ＶＳ（Ｖ） ６ ｌｎＦ …。综合考虑本系统所用的０．３７ ｋＷ、四相８／６极开关 磁阻电机的各项参数，功率变换器选用飞兆公司生产的 开关磁阻电机专用集成驱动芯片ＦＣＡＳ２０ＤＮ６０ＢＢ，其 内部集成了４个ＩＧＢＴ、４个快速恢复二极管、两个 Ｂｏｏｔｓｔｒａｐ二极管、１个热敏电阻，并带有多项的功能保 护。ＦＣＡＳ２０ＤＮ６０ＢＢ的外围电路如图３所示。 Ｉ ｌ ＝ ：； Ｃｓｃ ｌｌｎＦ １４ ＿．Ｊ ｌｌ Ｖ血 ＿上＿ ５ Ｉ Ｊ１、Ｊ 。Ｉ。 ＶＦ０ ＶＳ（Ｖ）Ｎ＋ ＣＦＯＤ ６ Ｊ －） Ｕ— ２ 韦 ｌ Ｉ 上 ｏｏ ｌ Ｆ ３３ｎＦ １８ Ｖ— １ ＶＣＣＣＯＭ （Ｖ一） Ｎ １９ ２．３换相控制电路 开关磁阻电机换相的实现，主要是通过检测磁阻电 上 ＦＣＡＳ２０ＤＮ６０ＢＢ ＧＮ—Ｄ 图３ ＦＣＡＳ２０ＤＮ６０ＢＢ的外围电路 机本身所带传感器发出的Ｓ、Ｐ两相信号，在不同位置给 敬请登录网站在线投稿 ２０１５年第６期 《牟 机 嵌入式系碗应冈》 ６７ ｔ 誊一 ｉ ｉ 誊 曩童 ｊ薯 ｉ ｊ 薯 ｊｉｉ 誊搿ｉ 。 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８ 量门控信号一个周期的时间。一个位置信号的周期相当 于转子转过３Ｏ。机械角，只要测得转过１个位置信号周期 ＲＡＯ ＲＢ５ 时间△ｔ，就可根据 一３０。／Ａｔ，计算出平均转速。 ２．５键盘显示电路 键盘显示电路用于动态地显示开关磁阻电机实时速 一＋５Ｖ Ｌ————～度，本文使用单片机的主同步串行口模块（ＭＳＳＰ），通过 Ｉ Ｃ接口与外部器件ＺＬＧ７２９０进行通信，驱动数码管显 示。ＺＬＧ７２９０是具有Ｉ ｃ串行接口功能、可同时驱动８ 位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时可以 连接多达６４键的键盘矩阵，单片即可完成ＬＥＤ显示、键 图４换相电路图 州 蹴 州 盘接口的全部功能＿４］。根据其数据手册设计外部电路图 如图５所示。 的时钟，并且使能门控反转和单脉冲模式，从而完整地测 图５键盘显示电路 ３系统软件设计 软硬件的正确配合是系统正确运行的保证，软件部分 的设计任务主要包括：主程序、换相中断子程序、速度检测 单片机的ＲＡ０／ＲＢ５口接人开关磁阻电机凹槽式光电传 感器Ｈ９２Ｂ４发出的两个电平信号，从而判断出电机通电 相，实现电机的换相控制。换相中断子程序流程图如图７ 所示。 子程序、按键中断子程序、故障中断子程序等。 ３．１主程序设计 主程序中包括：系统初始化、变量的赋值、ＣＬＣ单元 的设定、中断配置、ＴＭＲ１模块配置等。主程序流程图如 图６所示。 ３．３速度检测子程序设计 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８没有自带捕捉的功能，因此使用其 ＴＭＲ１模块的门控计数功能，ｓ与Ｐ经内部ＣＬＣ４异或后 的信号作为门控信号，通过读取％ＴＭＲＬＨ：ＴＭＲ１Ｌ＞中 的脉冲个数，从而计算出此时的转速大小并送到数码管显 示 速度检测子程序流程图如图８所示。 ３．２ 换相中断子程序设计 根据位置检测及换相硬件电路的设计，ＰＩＣＩ６Ｆ１５０８ ６ ８ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０ １５年第６期 ＷＷｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｒｎ．ＣＯ 譬 一－ ≥ ｛ 配置内部时钟 （ 塑） 配置ＰｗＭ模块 二二工二二 配置ＣＬＣ模块 二二工二二 配置ＴＭＲ１模块 二二［等待中断 使能各模块 图９按键中断子程序流程图 图６主程序流程图 保护现场 ３．５故障中断子程序设计 当电路出现欠压、短路等故障时，智能功率模块发出 一个电平信号经ＩＮＴ中断输入引脚给控制器，控制器收 到这个信号后就产生ＩＮＴ中断，停止控制信号的输出，以 保证智能功率模块及电动机的安全。故障中断子程序流 读ＲＡ０、ＲＢ５端口， 同时清除旧失配条件 锁存新的基准电平 程图略——编者注。 ４实验现象及结论 测试各硬件设备的连接，系统上电，此时由 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机发出的４路控制波形略——编者注。 进入反转程序 清除中断标志位 Ｎ ：Ｉ 进入正转程序 ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机可以发出控制开关磁阻电机运转的４ 路波形，从而有效减少外部逻辑器件的使用，提高集成度 和可靠性。 由功率驱动芯片ＦＣＡＳ２０ＤＮ６ＯＢＢ的数据手册可知，最 二二工二二 恢复现场， 中断返回 图７换相中断子程序流程图 佳载波频率为３ ｋＨｚ，此时开关磁阻电机的调速范围 略——编者注。开关磁阻电机的转速与ＰＷＭ的占空比不 是严格的比例关系，而是存在一定的误差。理论转速与实 保护现场 际转速的相对误差的平均值为０．１ ，满足应用的要求。 ‘Ｙ 曼 ｌ 董墼 调用写子程序 结 语 由此可见，以ＰＩＣ１６Ｆ１５０８单片机为核心设计的开关 读取ＴＭＲ１Ｌ、ＴＭＲＬＨ 寄存器的值，由脉冲 个数计算转速 调用ＢＣＤ码的转换 程序，方便显示 磁阻电机伺服控制系统，不仅结构简单，大大减少了外部 逻辑器件的使用，而且性能稳定，可靠性得到提高。本系 统的设计可以为其他电机设计者提供借鉴。 编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站ｗｗｗ． ｒｒｌｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ。耀 参考文献 ［１］王晓明．电动机的ＡＤＳＰ控制 ＡＤＩ公司ＡＤＳＰ应用［Ｍ］． 北京：北京航空航天大学出版社，２０１０． 清除中断标志位 恢复现场， 中断返回 调用查表程序 图８速度检测子程序流程图 ３．４按键中断子程序设计 在系统进入正常高速运转之前要输入给定的速度值以 及比例、积分、微分调节系数，因此在主程序中需要加入按键 中断子程序。考虑到硬件电路设计中键盘输入电路的设计， ［２］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ．ＰＩＣ１６（Ｌ）Ｆ１５０８／９数据手册２０１４． ［３］王晓明．电动机的单片机控制［Ｍ］．北京：北京航空航天大学 出版社，２０１１． ［４３广州周立功单片机发展有限公司．ＺＬＧ７２９０ Ｉ Ｃ接口键盘及 ＬＥＤ驱动器２０１４． 需要使用１２Ｃ总线通信的方式与ＺＬＧ７２９０芯片进行通信，所 以在按键中断子程序设计中加入了读子程序设计以及写子 程序设计等。按键中断子程序流程图如图９所示。 敬请登录网站在线投稿 ２０１５＃－ｇ ６期 《平砖机 嵌入式系碗应冈》 ６９
