Бесколлекторные электродвигатели

Если следовать  схеме коммутации, показанной на рисунке 3 и в таблице 1, то получим шесть различных векторов магнитного потока, соответствующих шести ступеням коммутации. Шесть ступеней соответствуют одному обороту ротора.

Стартовый набор ATAVRMC100

В следующей  части данных рекомендаций по применению будет рассмотрена аппаратная и программная реализация на основе стартового набора ATAVRMC100 с микроконтроллером AT90PWM3.

Принципиальная  электрическая схема представлена на рисунках 21, 22, 23 и 24 в конце документа.

Программа содержит контур управления скоростью с помощью ПИД-регулятора. Такой регулятор состоит из трех звеньев, каждый из которых характеризуется собственным коэффициентом передачи: Kп, Kи и Kд.

Кп - коэффициент  передачи пропорционального звена, Kи - коэффициент передачи интегрирующего звена и Kд - коэффициент передачи дифференцирующего звена. Отклонение заданной скорости от фактической (на рисунке 6 называется "сигнал рассогласования") обрабатывается каждым из звеньев. Результат данных операций складывается и подается на двигатель для получения требуемой частоты вращения (см. рисунок 6).

 
Рисунок 6. Структурная схема ПИД-регулятора

Коэффициент Кп влияет на длительность переходного процесса, коэффициент Ки позволяет подавить статические ошибки, а Кд используется, в частности, для стабилизации положения (см. описание контура управления в архиве с программным обеспечением для изменения коэффициентов).

Описание аппаратной части

Как показано на рисунке 7 микроконтроллер содержит 3 контроллера силового каскада (PSC). Каждый PSC можно рассматривать как широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с двумя выходными сигналами. Во избежание возникновения сквозного тока PSC поддерживает возможность управления задержкой неперекрытия силовых ключей (см. документацию на AT90PWM3 для более детального изучения работы PSC, а также рисунок 9).

Аварийный вход (Over_Current, токовая перегрузка) связан с PSCIN. Аварийный вход разрешает микроконтроллеру отключить все выходы PSC.

 
Рисунок 7. Аппаратная реализация

Для измерения  тока можно использовать два дифференциальных канала с программируемым усилительным каскадом (Ку=5, 10, 20 или 40). После выбора коэффициента усиления необходимо подобрать номинал шунтового резистора для наиболее полного охвата диапазона преобразования.

Сигнал Over_Current формируется  внешним компаратором. Пороговое  напряжение компаратора можно регулироваться с помощью внутреннего ЦАП.

Переключение  фаз должно выполняться в соответствии со значением на выходах датчиков Холла. ДХ_A, ДХ_B и ДХ_C подключаются к  входам источников внешних прерываний или к трем внутренним компараторам. Компараторы генерируют такой же тип прерываний, что и внешние прерывания. На рисунке 8 показано, как используются порты ввода-вывода в стартовом наборе.

 
Рисунок 8. Использование портов ввода-вывода микроконтроллера (корпус SO32)

VMOT (Vдв.) и VMOT_Half (1/2 Vдв.) реализованы, но не используются. Они могут использоваться для  получения информации о напряжении  питания двигателя.

Выходы H_x и L_x используются для управления силовым мостом. Как  было сказано выше, они зависят  от контроллера силового каскада (PSC), который генерирует ШИМ-сигналы. В  таком применении рекомендуется  использовать режим с выравниванием  по центру (см. рисунок 9), когда регистр OCR0RA используется для синхронизации запуска преобразования АЦП для измерения тока.

 
Рисунок 9. Осциллограммы сигналов PSCn0 и PSCn1 в режиме с выравниванием по центру

• Время вкл. 0 = 2 * OCRnSA * 1/Fclkpsc
• Время вкл. 1 = 2* (OCRnRB - OCRnSB + 1) * 1/Fclkpsc
• Период PSC = 2 * (OCRnRB + 1) * 1/Fclkpsc

Пауза неперекрытия между PSCn0 и PSCn1:

• |OCRnSB - OCRnSA| * 1/Fclkpsc

Блок PSC тактируется сигналов CLKPSC.

Для подачи ШИМ-сигналов в силовой каскад может использоваться один из двух способов. Первый заключается  в приложении ШИМ-сигналов к верхним  и нижним частям силового каскада, а  второй - в приложении ШИМ-сигналов только к верхним частям.

Описание программного обеспечения

Atmel разработала  библиотеки для управления БКЭПТ.  Первый шаг их использования  заключается в конфигурации и  инициализации микроконтроллера.

Конфигурация  и инициализация микроконтроллера

Для этого необходимо использовать функцию mc_init_motor(). Она вызывает функции инициализации аппаратной и программной части, а также инициализирует все параметры двигателя (направление вращения, частота вращения и останов двигателя).

Структура программной  реализации

После конфигурации и инициализации микроконтроллера может быть выполнен запуск двигателя. Для управления двигателем необходимо только несколько функций. Все функции определены в mc_lib.h:

void mc_motor_run(void)

- Используется  для запуска двигателя. Вызывается  функция контура стабилизации для установки рабочего цикла ШИМ. После этого выполняется первая фаза коммутации.

Bool mc_motor_is_running(void)

- Определение  состояния двигателя. Если '1', то  двигатель работает, если '0', то двигатель  остановлен.

void mc_motor_stop(void)

- Используется  для остановки двигателя. 

void mc_set_motor_speed(U8 speed)

- Установка  заданной пользователем скорости.

U8 mc_get_motor_speed(void)

- Возвращает  заданную пользователем скорость.

void mc_set_motor_direction(U8 direction)

- Установка направления вращения 'CW' (по часовой стрелке) или 'CCW' (против часовой стрелки).

U8 mc_get_motor_direction(void)

- Возвращает  текущее направление вращения  двигателя. 

U8 mc_set_motor_measured_speed(U8 measured_speed)

- Сохранение  измеренной скорости в переменной measured_speed.

U8 mc_get_motor_measured_speed(void)

- Возвращает  измеренную скорость.

void mc_set_Close_Loop(void)

void mc_set_Open_Loop(void)

- Конфигурация  контура стабилизации: замкнутый  контур или разомкнутый (см. рисунок  13).

 
Рисунок 10. Конфигурация AT90PWM3

 
Рисунок 11. Структура программного обеспечения

На рисунке 11 показаны четыре переменные mc_run_stop (пуск/стоп), mc_direction (направление), mc_cmd_speed (заданная скорость) и mc_measured_speed (измеренная скорость). Они являются основными программными переменными, доступ к которым может выполняться посредством ранее описанных пользовательских функций.

Программную реализацию можно рассматривать как черный ящик с наименованием "Управление двигателем" (рисунок 12) и несколькими  входами (mc_run_stop, mc_direction, mc_cmd_speed, mc_measured_speed) и выходами (все сигналы управления силовым мостом).

 
Рисунок 12. Основные программные переменные

Большинство функций  доступны в mc_drv.h. Только некоторые из них зависят от типа двигателя. Функции можно разделить на четыре основных класса:

• Инициализация аппаратной части

void mc_init_HW(void);

Инициализация аппаратной части полностью выполнена  в этой функции. Здесь выполняется  инициализация портов, прерываний, таймеров и контроллера силового каскада. 

void mc_init_SW(void);

Используется  для инициализации программного обеспечения. Разрешает все прерывания.

void mc_init_port(void);

Инициализация порта ввода-вывода путем задания  через регистры DDRx, какие выводы функционируют как вход, а какие как выход, а также с указанием, на каких входах необходимо включить подтягивающие резисторы (через регистр PORTx).

void mc_init_pwm(void);

Данная функция  запускает ФАПЧ и устанавливает  все регистры PSC в исходное состояние.

void mc_init_IT(void);

Модифицируйте данную функцию для разрешения или  запрета типов прерываний.

void PSC0_Init ( unsigned int dt0,

unsigned int ot0,

unsigned int dt1,

unsigned int ot1);

void PSC1_Init ( unsigned int dt0,

unsigned int ot0,

unsigned int dt1,

unsigned int ot1);

void PSC2_Init (unsigned int dt0,

unsigned int ot0,

unsigned int dt1,

unsigned int ot1);

PSCx_Init позволяет  пользователю выбрать конфигурацию  контроллера силового каскада  (PSC) микроконтроллера.

• Функции коммутации фаз

U8 mc_get_hall(void);

Считывание  состояния датчиков Холла, соответствующее  шести ступеням коммутации (HS_001, HS_010, HS_011, HS_100, HS_101, HS_110).

_interrupt void mc_hall_a(void);

_interrupt void mc_hall_b(void);

_interrupt void mc_hall_c(void);

Данные функции  выполняются, если выявлено внешнее  прерывание (изменение выхода датчиков Холла). Они позволяют выполнить  коммутацию фаз и вычислить скорость.

void mc_duty_cycle(U8 level);

Данная функция  устанавливает рабочий цикл ШИМ  в соответствии с конфигурацией PSC.

void mc_switch_commutation(U8 position);

Коммутация  фаз выполняется в соответствии со значением на выходах датчиков Холла и только в случае, если пользователь запустит двигатель.

• Конфигурация времени преобразования

void mc_config_sampling_period(void);

Инициализация таймера 1 для генерации прерывания каждые 250 мкс.

_interrupt void launch_sampling_period(void);

После активизации 250 мкс-ого прерывания устанавливает  флаг. Он может использоваться для  управления временем преобразования.

• Оценка скорости

void mc_config_time_estimation_speed(void);

Конфигурация  таймера 0 для выполнения функции  вычисления скорости.

void mc_estimation_speed(void);

Данная функция  вычисляет частоту вращения двигателя  на основе принципа измерения периода следования импульсов датчика Холла.

_interrupt void ovfl_timer(void);

При возникновении  прерывания выполняется приращение 8-разрядной переменной для реализации 16-разрядного таймера с помощью 8-разрядного таймера.

• Измерение тока

_interrupt void ADC_EOC(void);

Функция ADC_EOC выполняется сразу после завершения преобразования усилителя для установки  флага, который может использоваться пользователем.

void mc_init_current_measure(void);

Данная функция  инициализирует усилитель 1 для измерения  тока.

U8 mc_get_current(void);

Считывание  значения тока, если преобразование завершено.

Bool mc_conversion_is_finished(void);

Индицирует  завершение преобразования.

void mc_ack_EOC(void);

Сброс флага  завершения преобразования.

• Детекция токовой перегрузки

void mc_set_Over_Current(U8 Level);

Устанавливает порог определения токовой перегрузки. В качестве порога выступает выход  ЦАП, связанный с внешним компаратором.

Контур стабилизации

Контур стабилизации выбирается с помощью двух функций: разомкнутый (mc_set_Open_Loop()) или замкнутый контур (mc_set_Close_Loop()). На рисунке 13 показан программно-реализованный контур стабилизации.

 
Рисунок 13. Контур стабилизации

Замкнутый контур представляет собой контур стабилизации скорости на основе ПИД-регулятора.