基于C868的低成本开关磁阻电机控制系统

　　开关磁阻电机(SRM)具有诸多明显优势，例如结构简单、高起动转矩、高效率、高可靠性和低成本等等，正不断引起各行各业的关注。图1(a)所示为一个典型的6/4三相开关磁阻电机。电机为双凸极结构，转子既无绕组也无永磁体；定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一相。开关磁阻电机的运行基于“磁阻最小”原理—磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合，因磁场扭曲而产生磁阻性质的电磁转矩。在电机运行时, 每相绕组只有在该相电感处于增加阶段时通电,而在电感处于减少时必须断电。图2(b)所示为该电机相应的主电路。两个半导体开关器件必须同时导通, 两个二极管在两个半导体开关器件关断时同时导通。决定电机转子旋转方向的是各相绕组的通断点顺序(换流表)而不是电流方向。显然，电机的换流时刻与转子具体位置直接相关。

　　必须特别指明的是正转矩(电动转矩)只有当电机电感增加阶段才能得到,而在电感处于减少时只能得到负转矩(制动转矩) 。因此相电流的大小以及开始和截止的确切时刻是决定开关磁阻电机最终运行性能的关键因素。

　　无论系统采用何种控制策略, 在开关磁阻电机控制中需要用到下列两种PWM调制方法。

　　·电压型PWM调制 - 低速区域

　　如图2所示, 当电机转速较低时,两次换流之间的间隔足够大, 常见的固定频率电压型PWM调制用于控制电流幅值及其变化。

　　·单脉冲触发模式 - 高速区域

　　随着电机的转速不断增加, 换流间隔的不断减小以及反电势的影响日益明显, 相电流的调节越来越困难。最终当电机转速达到一定值后, 已无法通过控制相电流的幅值及其变化来调节转速, 而只能通过控制相电流导通和截止的时刻来达到控制电机转速的目的, 此时电机处于单脉冲触发运行模式, 如图2所示。在这种模式下, 通过不断调整各相电流的导通和截止时刻, 就能保证在正转矩产生区域及时加上电流, 而在负转矩区域来临之前及时关断电流， 从而保证电机的正常运行。

　　C868和CAPCOM6E

　　C868是英飞凌8位单片机产品家族中的新成员，可为各种应用和系统提供低成本的先进控制功能。对于研发和批量生产，SRAM型号可以最低的系统费用实现高度的灵活性。对应的ROM型号能进一步降低成本。借助功能强大的片上PWM发生单元CAPCOM6E，C868满足了对低成本、高实时性的电力电子控制的所有要求。利用灵活的CAPCOM6E，由硬件/软件处理所有对时间要求十分苛刻的任务，而CPU则处理用户命令，并可进行相应的控制运算。内置的5通道/8位ADC所具备的同步特性有助于测量无噪音相关系统参数。

　　CAPCOM6E是一种功能强大、灵活的比较捕捉单元，可驱动多种类型的电机(交流异步电机IM、直流无刷电机BLDC和开关磁阻电机SRM等)，是基于此类PWM单元十多年的研发的最新成果。

　　CAPCOM6E具备以下特性：

　　·2个独立的带预分频器的16位计时器。

　　T12具有三个捕捉/比较通道，每个通道有两个输出，可用作捕捉通道或比较通道，并且具备死区时间控制，可避免功率电路出现短路。T12有中心对齐、边缘对齐、单脉冲触发模式和滞环控制等控制模式，可用于控制感应电机IM、直流无刷电机BLDC和开关磁阻电机SRM。

　　对于开关磁阻电机, 其单脉冲触发模式可用于电机高速区域的控制。

　　T13有一个独立的比较通道和一路输出，可生成高速PWM信号，并控制占空比。T13也支持单脉冲触发模式，可与T12同步。PWM信号可自动迭加至T12的六路输出中任何一个(或全部)的有效电平上。

　　对于开关磁阻电机，在低速区域, 可以通过T13 PWM的占空比控制电机的相电流幅值及其变化， 从而调节电机速度。

　　所有计时器输出信号均可在一个多通道控制模块中进行配置和变更。

　　·CAPCOM6E还能检测转子位置， 并带有噪声滤除功能。

　　·CAPCOM6E的另一个重要功能是紧急中断输入CTRAP—该功能确保当电平低时CAPCOM6E中T12的六个输出处于用户预先定义的状态。

　　如图3所示，CC60-CC62和COUT60-COUT62是用于驱动电机的六个基本输出信号。对于开关磁阻电机控制，转子位置反馈信号由CCPOS0-CCPOS2输入。T13生成的高频PWM信号将以高达50ns的分辨率，加至T12的CC60-CC62和COUT60-COUT62输出中的任何一个的有效电平。CTRAP是紧急中断输入。如果该输入为低，CC60-CC62和COUT60-COUT62将立即变为预定义的电平，以实现过流/过压保护。用户仅需设置各种寄存器的值，例如周期寄存器、比较寄存器、偏移寄存器等等，即可轻松快捷地控制CAPCOM6E。

　　图4所示为一个基于C868的开关磁阻电机 系统框图。图中，电机是图1(a)所示的6/4三相开关磁阻电机。该电机带有转子位置反馈(霍尔传感器)。主电路采用常见的(一相)双开关结构。这两个开关都由高频PWM信号控制。C868的CAPCOM6E首先工作在多通道模式, 按照转子位置反馈信号输出固定频率的电压型PWM控制信号, 把电流控制在指定范围。直流母线电流由A/D转换器输入。该A/D转换器由CAPCOM6E的T13同步触发, 可躲过电流尖峰，采入真实的电流信号。当电机转速达到一定值后，CAPCOM6E 转入单脉冲触发模式。此时A/D转换器由T12同步触发。图5所示为低速区域的PWM输出波形和相电流波形。

　　结语

　　本文介绍了采用英飞凌最新推出的8位单片机 C868及其功能强大、灵活自如的PWM发生单元CAPCOM6E实现开关磁阻电机控制系统的方法。除了一般常见的PWM控制外, C868的CAPCOM6E特设单脉冲触发模式,专门用于开关磁阻电机的高速区域的控制。C868所带A/D转换器的同步功能可以进行精确的无噪声的电流测量, 对系统的稳定运行也有很大的帮助。