小功率永磁同步电机无速度传感控制器

一、序言

在传统的交流矢量变换控制系统中，速度传感器是必不可少的。对于普通的交流电机，速度传感器的作用有三：其一是获得速度反馈信号，实现速度的闭环控制；其二是与转差角频率相加得到定子电流角频率给定值，进行频率控制；其三是在低速范围用电流模型观测转子磁通，进行磁场定向控制。若实现PMSM的矢量控制，使定子电流的方向与永磁体产生的磁通方向在空间正交，还需要位置传感器，以确定转子磁极位置，依据位置信息，通过控制电路，以正确相位和相序，向三相定子绕组供电，通过交变的定子电流产生恒定的转矩，从而实现系统的精确控制。电机速度和磁极位置的检测，多数采用光电编码器或者旋转变压器等机械传感器，在实际应用中，存在以下几个问题:

（一）高精度速度传感器的价格昂贵，对一些小容量设各，显著增加了系统开发的成本(包括传感器和电子线路)。

（二）速度传感器安装困难，存在同心度问题，只有在特殊加工的电机中，该问题才能得到较为满意的解决，而在一般电机中，由于安装存在的问题，速度传感器常成为系统的故障源，使系统的机械鲁棒性大为降低，也给维护带来了困难。

（三）速度信号的传递受距离的限制，如果距离长，会带来许多干扰信号，因此只限于一些性能很高的场合，这就大大限制了应用范围:

（四）在选用变频器时必须顾及速度传感器的参数，使其匹配，互换性差;

（五）在恶劣环境中，由于多数传感器内部及输出信号都为弱电平，抗电磁干扰的能力较差，温度、湿度、振动等的影响会造成传感器的性能小稳定，制约检测的精确度。如果采用旋转变压器，经信号处理得到速度和磁极位置信息，解调过程较复杂，增加了硬、软件的复杂性和控制策略的难度:

（六）所有的传感器对电机的驱动轴都会产生一定程度的静态和动态摩擦，同时附加于电机轴上一定惯性。

以第三代永磁材料-钕铁硼(NdFeB)造出来的永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到日益广泛应用，同时我国稀土资源丰富，因此研究和开发高效稀土永磁同步电动机，变稀土资源出口为高附加值的稀土永磁电机产品出口，能够促进电机行业、风机水泵行业的产品结构调整和更新换代，从而创造巨大的经济效益，因此永磁同步电机控制器的研究与开发具有很好的应用价值。

二、实现方法

AVR单片机介绍和IRMCF341芯片

本方案拟采用ATMEL公司的ATmega64单片机和IRMCF341这种高性能家电用无传感器正弦波电机控制IC来实现。

ATmega64：

高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位 , 一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的 CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。

AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。

Atmel公司在1997年研发的采用哈弗结构的RISC单片机AVR吸取了PIC及8051等系列的单片机的优点，同时在内部结构上还做了一些重大的改进。其优点主要有以下几点：

内嵌高质量的FLASH程序存储器，可反复擦写，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新，内嵌长寿命的EEPROM，可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也能更有效的支持使用高级语言开发系统程序。

高速度、低功耗，具有SLEEP功能。AVR的一条指令执行周期可达50ns，而耗电则在1uA~2.5mA之间。AVR采用Harvard结构，以及一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行。

外设丰富。AVR单片机包含的外设有SPI、EEPROM、RTC、看门狗定时器、ADC、PWN和片内振荡器等，可以真正做到单片。

抗干扰性好。有看门狗定时器（WDT）安全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰性。此外，电源抗干扰能录也很强。

高度保密。可多次烧写的FLASH具有多重密码保护锁定（LOCK）功能，因此可低价快速完成商品化，且可多次更改程序（产品升级），方便了系统调试，而且不必浪费IC或电路板，大大提高了产品质量及竞争力。

驱动能力强。具有大电流：10~20mA（输出电流）或40mA（吸电流），可直接驱动LED、SSR或继电器。

低功耗。具有六种休眠功能，能够从低功耗模式迅速唤醒。

超功能精简指令。具有32个通用工作寄存器（相当于8051的32个累加器），克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。

中断向量丰富。具有34个中断源，不同中断向量入口地址不一样，可快速响应中断。

可靠性高。AVR单片机内部有电源上电启动计数器，当系统RESSET复位上电后，利用内部的RC看门狗定时器，可延迟MCU在系统电源、外部电路达到稳定后再正式开始执行程序，提高了系统工作的可靠性，同时也可节省外加的复位延时电路。此外，内置的电源上电复位（POR）和电源掉点检测（BOD），也有效提高了单片机的可靠性。