基于ATmega32M1和ATAVRMC320的無刷直流電機無傳感器換相控制

一、引言

在無刷直流電機（BLDC）的控制中，無傳感器換相技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)。本文將介紹如何使用ATAVRMC320開發(fā)套件實現(xiàn)BLDC電機的無傳感器換相。ATmega32M1集成了多種外設(shè)，可減少BLDC應(yīng)用中所需的外部組件數(shù)量，既適用于無傳感器換相，也適用于帶霍爾傳感器的換相，本文主要聚焦于無傳感器換相。在深入研究之前，建議先仔細閱讀AVR928應(yīng)用筆記，它詳細闡述了無傳感器控制方法的理論。

文件下載：ATAVRMC320.pdf

由于網(wǎng)絡(luò)問題，暫時無法獲取無傳感器換相技術(shù)優(yōu)勢的相關(guān)信息。不過我們繼續(xù)了解硬件和固件等方面的內(nèi)容。

二、硬件部分

2.1 硬件組成

整套硬件包括ATAVRMC310和ATAVRMC300板，它們是ATAVRMC320入門套件的兩個部分。詳細的使用說明可參考AVR430（MC300硬件用戶指南）和AVR470（MC310硬件用戶指南）。

2.2 MC310跳線設(shè)置

2.3 MC300跳線設(shè)置

在ATAVRMC300上，Vm和Vin連接器可由同一個 +12V/7A 電源供電，也可使用單獨的 +12V/1A 電源為Vin（處理器電源電壓）供電。

2.4 電源供應(yīng)

此固件示例配置的電源電壓 Vm = 12V，該電源必須能夠提供高達 4A 的輸出電流。

2.5 電機參數(shù)

MC320和MC300電機控制套件中的BLDC電機具有以下特性：

• 制造商：TECMOTION
• 相數(shù)：3
• 極數(shù)：8（4 對）
• 額定電壓：24V
• 額定轉(zhuǎn)速：4000 rpm
• 額定扭矩：62.5 Nm
• 扭矩常數(shù)：35 Nm/A = k_tau
• 線間電阻：1.8 ohm = R
• 反電動勢：3.66 V / Krpm = k_e
• 峰值電流：5.4A

當 Vm = 12V 時，額定轉(zhuǎn)速為 2000 rpm。

2.6 ATmega32M1配置

ATmega32M1必須使用PLL編程為以 16MHz 運行（設(shè)置相應(yīng)的熔絲位），同時要禁用CKDIV8熔絲。擴展/高/低熔絲配置為：FF/DF/F3。

2.7 技術(shù)建議

• 斷開BLDC電機：在電機運行或線圈有電流時，切勿斷開BLDC電機。只有當PWM占空比為 0% 且轉(zhuǎn)子靜止，即線圈中無電流時，才允許斷開電機。要注意，當停止電源或PWM時，轉(zhuǎn)動慣量大的BLDC電機可能會繼續(xù)運行較長時間。
• 接地和電源布線：在設(shè)計自己的電路板時，要注意接地布線和電源布線。處理器和附加信號調(diào)理組件（如附加快速比較器、運算放大器等）的電源必須與電機電源解耦。接地連接應(yīng)具有低電阻和低電感，以防止因大電流導致的電壓降和噪聲。建議在多層PCB中使用接地平面以確保正常運行。

三、固件部分

3.1 固件基礎(chǔ)

示例固件基于AVR928應(yīng)用筆記中描述的無傳感器方法，使用ATmega32M1內(nèi)部比較器以無傳感器模式運行。套件中BLDC電機的霍爾傳感器線可以保持未連接狀態(tài)。源文件目錄中包含一個HTML文檔，可通過readme.html文件打開。

3.2 主流程圖

固件的主流程圖由每 1.024ms 由Timer0產(chǎn)生的g_tick來調(diào)度任務(wù)。

3.3 MS_ALIGN階段

ALIGN階段將電機強制置于特定位置，該階段的時間由ALIGN_TIME常數(shù)控制，它是ru_period_counter的初始值（對于MC310電機為 200）。

3.4 RAMP_UP階段

• 參數(shù)表：斜坡上升特性（占空比和時間）存儲在兩個表中：ramp_up_duty_table[]提供步驟的占空比，ramp_up_time_table[]提供步驟的長度（ru_step_length）。這兩個表針對特定的電機和應(yīng)用。
• 計數(shù)器：通過三個獨立的計數(shù)器實現(xiàn)步驟序列的掃描和步驟長度的監(jiān)控：
  • ru_step_length_cntr：計算換相時間（直到ru_step_length變量）
  • ru_period_counter：計算步驟長度（直到RAMP_UP_PERIOD常數(shù)）
  • ramp_up_index：計算步驟編號（直到RAMP_UP_INDEX_MAX常數(shù)）
• 步驟時間和數(shù)量：步驟時間RAMP_UP_PERIOD = 50ms，RAMP_UP_INDEX_MAX = 9 定義了 10 步的斜坡上升。
• 參數(shù)表定義：在固件示例中，表根據(jù)套件中電機的特性定義：
  • ramp_time_table[] = {26,23,20,17,14,11,8,5,3,2,2};
  • ramp_dup_duty_table[] = {122,124,126,129,131,133,135,137,140,143,145};
• Sp1/pwm1參數(shù)：AVR928應(yīng)用筆記中描述的通常參數(shù)為Pwm 1 = 50%，Sp 1 = Sp_max / 60。對于MC310 Tecmotion電機，Pwm 1 = 48%（= 122 / 256），Sp1由ru_step_length的初始值定義，ru_step_length = RAMP_UP_STEP_MAX = 40，這意味著每 40ms 進行一次換相，電機的電氣旋轉(zhuǎn)時間為 120ms，機械旋轉(zhuǎn)時間為 480ms，旋轉(zhuǎn)速度為 125 rpm，所以Sp 1 = Sp_max / 32。
• Sp2/pwm2參數(shù)：AVR928應(yīng)用筆記中描述的理論參數(shù)為Pwm 2 = 60%，Sp2 = Sp_max / 6 = Sp 1 / 10。對于Tecmotion電機，Pwm 2 = 57%（= 145 / 256），Sp2由ru_step_length的最后一個值 2 定義，這意味著每 4ms 進行一次換相，電機的電氣旋轉(zhuǎn)時間為 12ms，機械旋轉(zhuǎn)時間為 48ms，旋轉(zhuǎn)速度為 1250 rpm，所以Sp2 = Sp_max / 3.2，這也證實了AVR498應(yīng)用筆記中定義的Sp1和Sp2之間通常的比例為 10。

3.5 LAST_RAMP_UP階段

為避免最后一步過短，該階段監(jiān)控最后一個斜坡上升步驟，以確保在進入閉環(huán)運行之前正確結(jié)束。

3.6 RUNNING階段

• 閉環(huán)框圖：運行階段是一個無傳感器閉環(huán)，其框圖展示了系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)。
• 運行流程圖：流程圖顯示了電機狀態(tài)保持為MS_RUNNING，mci_set_ref_speed()函數(shù)根據(jù)電位器調(diào)整或串行傳輸接收到的速度命令更新速度設(shè)定點。在mc_regulation_loop()函數(shù)中，duty_cycle_reference是控制PWM發(fā)生器的占空比變量，它是不同模式下相關(guān)函數(shù)的計算結(jié)果：
  • 在OPEN_LOOP模式下：由mci_set_ref_speed()函數(shù)確定。
  • 在SPEED_LOOP模式下：根據(jù)ref_speed和監(jiān)測到的mci_get_measured_speed()計算，measured_speed = (KSPEED * 4) / mci_measured_period，mci_measured_period在模擬比較器 1 的中斷向量中計算，該中斷使用Timer 0 計算周期。
  • 在CURRENT_LOOP模式下：由mc_control_current(mc_get_potentiometer_value())確定。
• 無傳感器檢測和換相管理：使用模擬比較器 0、1 和 2 檢測 U、V 和 W 相的過零點。Timer 1 用于監(jiān)測兩個連續(xù)過零點之間的時間，該時間對應(yīng)電機電氣旋轉(zhuǎn)的一個扇區(qū)，即整個電氣周期的 60°。當發(fā)生過零事件時，Timer 1 的值被存儲，然后除以 2（得到 30° 時間）并加載到Timer 1 的比較 A 寄存器中，再加上自身的一半得到 45° 時間并加載到Timer 1 的比較 B 寄存器中。Timer 1 比較 A 事件在過零后 30° 發(fā)生，激活下一個換相狀態(tài)并屏蔽過零，以避免在步驟結(jié)束時有源開關(guān)釋放時產(chǎn)生的電感放電（去磁）脈沖。由于電機線圈的電感，會產(chǎn)生一個等于 -Ldi/dt 的電壓，去磁通過功率橋的二極管完成。Timer 1 比較 B 事件釋放過零屏蔽，根據(jù)motor_step變量啟用比較器 n 中斷，該Timer1中斷提供去磁屏蔽延遲。

四、通信部分

4.1 RS232通信

• 連接設(shè)置：通過直接電纜將PC的COM端口連接到ATAVRMC310的RS232連接器。串行配置為：38400波特率、8 位數(shù)據(jù)位、1 個停止位、無握手。
• PC應(yīng)用：用戶可以使用常見的PC串行通信應(yīng)用（如Hyperterminal）或從Atmel網(wǎng)站（http://www.atmel.com）下載的“Motor Control Center”應(yīng)用通過RS232與固件通信。

• PC終端消息和命令：上電時，終端會收到歡迎消息“ATMEL Motor Control Interface”?？梢韵蚬碳l(fā)送以下命令：	Command	Action
  ru	運行電機
  st	停止電機
  help	獲取幫助
  fw	設(shè)置電機正轉(zhuǎn)
  bw	設(shè)置電機反轉(zhuǎn)
  ss	設(shè)置速度（后跟速度值）
  gi	獲取ID
  g0	獲取狀態(tài) 0
  g1	獲取狀態(tài) 1

• Motor Control Center：用戶指南可在安裝目錄（C:Program FilesAtmelMotor Control CenterhelpOverview.htm）中找到。使用時需先選擇AVR172目標以獲得正確的配置。

4.2 USB通信

可以通過PC與MC310板的USB連接器進行通信，具體配置細節(jié)可參考AVR470（MC310硬件用戶指南）。通信端口將成為虛擬COM端口，可使用與RS232通信相同的工具通過該虛擬COM端口進行通信。

在實際應(yīng)用中，你是否遇到過類似的電機控制問題呢？對于無傳感器換相技術(shù)，你還有哪些疑問或想法？歡迎在評論區(qū)交流分享。