Politechnika Wrocławska
Wydział Elektroniki
K IERUNEK :
Automatyka i robotyka
S PECJALNOSC : Robotyka
PRACA DYPLOMOWA
MAGISTERSKA
Badanie własności nap˛edów elektrycznych
stosowanych w robotyce
Testing of robotic electric drivers
characteristics
AUTOR:
Michał Juszczak
PROWADZ ACY
˛
PRAC E:
˛
dr inż. Marek Wnuk
OPIEKUN:
dr inż. Marek Wnuk
OCENA PRACY:
Wrocław 2006
prac˛e dedykuj˛e Rodzicom
Składam serdeczne podzi˛ekowania Panu
dr Markowi Wnukowi za poświ˛econy czas,
cenne wskazówki i wyrozumiałość.
Spis treści
1
Wstep
2
Silnik BLDC
2.1 Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Budowa silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Model matematyczny silnika pradu
˛ stałego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Sterowanie silnikiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Struktura układu sterowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2 Komutacja z wykorzystaniem czujników Hall’a . . . . . . . . . . . . .
2.4.3 Komutacja z wykorzystaniem kodera kwadraturowego . . . . . . . . .
2.4.4 Komutacja z wykorzystaniem SEM indukowanej w uzwojeniach stojana
6
6
6
8
11
11
14
17
18
3
Konstrukcja stanowiska
3.1 Moduł sterownika . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Moduł z procesorem MC68332 . . .
3.1.2 Zasilacz lokalny . . . . . . . . . . .
3.2 Układ docelowy . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Silnik . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Obcia˛żenie . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Wzmacniacz mocy z logika˛ sterujac
˛ a˛
3.2.4 Układ pomiaru pradu
˛ . . . . . . . . .
3.2.5 Koder kwadraturowy . . . . . . . . .
3.2.6 Interfejs użytkownika . . . . . . . . .
3.3 Zasilacz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
21
22
23
23
24
24
27
31
32
32
35
36
Oprogramowanie sterownika
4.1 Struktura oprogramowania CPU . . . . . . .
4.1.1 Kolejkowy interfejs szeregowy QSM
4.1.2 Regulator pr˛edkości . . . . . . . . .
4.2 Oprogramowanie TPU . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Konfiguracja TPU . . . . . . . . . .
4.2.2 Funkcja COMM . . . . . . . . . . .
4.2.3 Funkcja HALLD . . . . . . . . . . .
4.2.4 Funkcja FQD . . . . . . . . . . . . .
4.2.5 Funkcja PWM . . . . . . . . . . . .
4.2.6 Funkcja FQM . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
38
38
39
41
42
42
43
46
47
48
49
4
5
5
Obsługa i możliwości stanowiska
50
6
Eksperymenty
54
7
Podsumowanie
60
1
Spis rysunków
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
Budowa silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konfiguracja trójkat
˛ i gwiazda uzwojeń stojana . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konstrukcje silników BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat zast˛epczy silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat blokowy układu sterowania silnikiem BLDC . . . . . . . . . . . . . .
Przebiegi napi˛eć sterujacych
˛
silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kierunek przepływu pradu
˛ w kolejnych fazach komutacji . . . . . . . . . . . .
Schemat układu wzmacniacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rozkład wektorów pól stojana dla różnych stanów czujników Hall’a . . . . . .
Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛eżenia pola stojana przed komutacja˛ . . . .
Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛eżenia pola stojana po komutacji . . . . . .
Przebieg sygnałów na wyjściu kodera kwadraturowego . . . . . . . . . . . . .
Podział etapów komutacji na 6 sektorów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyki zwrotnych SEM indukowanych w fazach silnika . . . . . . . .
Zależność mi˛edzy sygnałami na wyjściu czujników Hall’a a przebiegiem indukowanych SEM w uzwojeniach stojana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Układ detekcji przejścia SEM przez punkt neutralny . . . . . . . . . . . . . . .
Układ detekcji ze sztucznym punktem neutralnym . . . . . . . . . . . . . . . .
Budowa stanowiska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat blokowy cz˛eści elektronicznej stanowiska . . . . . . . . . . . . . . .
Płytka sterownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Lokalny zasilacz płytki sterownika +5V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Stojan silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wirnik silnika BLDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Układ dyskretyzujacy
˛ napi˛ecie wyjściowe czujników Halla . . . . . . . . . . .
Przebieg napi˛ecia na wyjściu komparatora i odpowiadaja˛ mu wartości logiczne
Złacze
˛ Z4 i Z5 silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Układ sprz˛egajacy
˛ silnik z pradnic
˛
a˛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka pradnicy
˛
dla różnych wartości rezystancji obcia˛żenia . . . . .
Tor pomiarowy napi˛ecia pradnicy
˛
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Złacze
˛ Z1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mechanizm hamujacy
˛ - rzut boczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mechanizm hamujacy
˛ - zdj˛ecie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat ideowy półmostka mocy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Układ pomiaru pradu
˛ silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Układ AS5040 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Układ podłaczenia
˛
kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Płytka kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mocowanie kodera na wale silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Złacze
˛ Z6 i Z7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat połaczenia
˛
sterownika LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Złacze
˛ Z3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat zasilacza +10V, 3A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Diagram działania głównej p˛etli programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cykl pomiarowy kolejki SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bajt sterujacy
˛ dla MAX1270 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Struktura układu regulatora pr˛edkości . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat obsługi zdarzeń przez TPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
6
7
8
8
11
12
13
14
15
16
16
17
17
18
19
20
20
21
22
22
23
24
24
25
26
27
27
28
29
29
30
30
31
32
32
33
34
34
35
35
36
36
38
40
41
41
43
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
Struktura stanu w tablicy komutacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka pr˛edkości silnika dla komutacji z kodera kwadraturowego po
przekłamaniu licznika pozycji funkcji FQD . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Widok płyty czołowej stanowiska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Konstrukcja menu użytkownika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zależność pr˛edkości silnika od wypełnienia sygnału sterujacego
˛
napi˛eciem zasilania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystki w otwartym układzie regulacji przy wymuszeniu PWM=100% .
Charakterystki w otwartym układzie regulacji przy wymuszeniu PWM=70% . .
Charakterystyka w otwartym układzie regulacji dla różnych wartości współczynnika PWM (bez obcia˛żenia silnika) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 50 = const. . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 30 = const. . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 20 = const. . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 10 = const. . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 10 = const. . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 5 = const. . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyka regulatora PD dla K p = 5 = const. . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 5850,
K p =10, Kd =14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 3516,
K p =20, Kd =14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 2110,
K p =20, Kd =14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Charakterystyki silnika w zamkni˛etym układzie regulacji dla Set speed = 1055,
K p =20, Kd =14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schemat ideowy stopnia mocy z logika˛ sterujac
˛ a˛ . . . . . . . . . . . . . . . .
3
45
48
50
51
54
55
55
55
56
56
57
57
57
58
58
58
59
59
59
64
Spis tablic
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Opis wyprowadzeń silnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Polaryzacja uzwojeń i odpowiadajace
˛ jej stany wyjściowe czujników Hall’a . .
Opis złacza
˛ Z1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zależność sygnałów sterujacych
˛
mostka od biegunu napi˛ecia zasilajacego
˛
silnik
Opis wyprowadzeń kodera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Opis wyprowadzeń wyświetlacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spis wykorzystanych funkcji z przydziałem kanałów i priorytetów obsługi . . .
Tablica komutacji dla trybu bezczujnikowego . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tablicy komutacji dla trybu z wykorzystaniem funkcji HALLD . . . . . . . . .
Sposób dekodowania stanu wyjść czujników Hall’a przez funkcje HALLD . . .
4
26
27
29
31
35
36
43
45
46
47
1
Wstep
Robotyka jest interdyscyplinarna˛ dziedzina˛ nauki łacz
˛ ac
˛ a˛ w sobie m.in. zagadnienia konstrukcji mechanicznych, teorii układów sterowania i elektroniki. Jej opanowanie pozwala na
tworzenie maszyn spełniajacych
˛
najróżniejsze, cz˛esto bardzo wysokie oczekiwania ludzi co do
rodzaju i jakości wykonywanych przezeń prac. Roboty powstały z myśla˛ o zastapieniu
˛
człowieka przy wykonywaniu zadań którym ludzie nie sa˛ wstanie sprostać ze wzgl˛edu na swoje
ograniczenia. Dlatego od tradycyjnego robota wymaga si˛e przede wszystkim dużej precyzji i
powtarzalności wykonywanych ruchów. Za ruch robota odpowiadaja˛ bezpośrednio jednostki
nap˛edowe z których przeważajac
˛ a˛ cz˛eść stanowia˛ silniki elektryczne. Znaczna wi˛ekszość rozwiazań
˛
robotycznych wykorzystuje silniki pradu
˛ stałego (DC), jednak należy również wspomnieć o bardzo dobrych własnościach silników pradu
˛ zmiennego (AC) ze sterowaniem wektorowym, których popularność stale wzrasta. W chwili obecnej przeważaja˛ jednak silniki pradu
˛
stałego. Maja˛ one dobre charakterystyki i wyróżniaja˛ si˛e stosunkowo prostym układem sterowania, który pozwala na regulacj˛e wybranych parametrów ruchu. Lista dost˛epnych silników DC
jest bardzo szeroka, niemniej każdy silnik ze wzgl˛edów konstrukcyjnych można sklasyfikować
do jednej z czterech podstawowych grup:
• z magnesami trwałymi
• szeregowych
• bocznikowych
• szeregowo - bocznikowych
Każda˛ grup˛e cechuje inny obwód wzbudzenia silnika, który rzutuje na jakość jego charakterystyki elektromechanicznej. Prawie wszystkie silniki pradu
˛ stałego wyposażone sa˛ w
mechaniczny komutator, który jest głównym powodem ich wad i ograniczeń. Wyjatek
˛ stanowi
podgrupa silników z magnesami trwałymi, w których rol˛e komutatora pełni układ elektroniczny
wytwarzajacy
˛ sygnały sterujace
˛ w oparciu o informacje sprz˛eżenia zwrotnego od położenia
wirnika. Rozwiazanie
˛
takie pozwoliło wyeliminować niedogodności zwiazane
˛
z obecnościa˛
mechanicznego komutatora, zwi˛ekszajac
˛ jednocześnie możliwość łatwego kształtowania charakterystyk. Bezkomutatorowe silniki pradu
˛ stałego (BLDC) stały si˛e alternatywa˛ dla silników
szczotkowych. Przy takich samych charakterystykach elektromechanicznych gwarantuja˛ wyższe maksymalne pr˛edkości obrotowe, lepsza˛ dynamik˛e i daja˛ możliwość bardziej precyzyjnego
sterowania położeniem wirnika.
Szczególne własności nap˛edów z tego typu silnikami skłoniły do podj˛ecia tematu i bliższego przyjżenia si˛e im w niniejszej pracy. Praktyczne podejście do zagadnienia narodziło
pomysł powstania stanowiska badawczo - dydaktycznego, które w przyst˛epny sposób pozwoli
na zapoznanie si˛e z różnymi technikami komutacji tego typu silników i stworzy możliwość
pomiaru jego rzeczywistych charakterystyk.
5
2
2.1
Silniki BLDC
Wprowadzenie
Bezkomutatorowe silniki pradu
˛ stałego należa˛ do grupy silników synchronicznych. Oznacza to, że pola wytwarzane przez uzwojenia stojana i magnesy trwałe osadzone na wirniku,
poruszaja˛ si˛e z tymi samymi pr˛edkościami. Sposób zasilania faz silnika jest zależny od sygnałów sterujacych,
˛
które generowane sa˛ w oparciu o sygnał sprz˛eżenia zwrotnego od położenia
wirnika. Odpowiednie zsynchronizowanie ich pozwala uzyskać stały moment i pr˛edkość obrotowa˛ silnika. Zastapienie
˛
komutatora mechanicznego elektronicznym jest powodem wielu zalet
tego silnika. Brak szczotek na komutatorze oznacza brak wyładowań łukowych. Powoduje to
zmiejszenie zakłóceń radioelektrycznych i pozwala na prac˛e silnika w środowiskach agresywnych i wybuchowych. Brak szczotek zwi˛eksza również bezawaryjność silnika i jego żywotność.
Zaleta˛ zastosowania komutatora elektronicznego jest możliwość stosunkowo łatwego kształtowania charakterystyk silnika (np. można stabilizować wybrany parametr). Mimo, że silnik
BLDC jest silnikiem synchronicznym nie wyst˛epuje w nim zjawisko utraty synchronizmu w
przypadku przecia˛żenia silnika, co jest wada˛ innych maszyn synchronicznych. Właściwość
ta wynika ze sposobu generowania wirujacego
˛
pola magnetycznego. Pole to jest wytwarzane
w dziedzinie kata
˛ mechanicznego położenia wirnika wzgl˛edem stojana a nie jak w typowych
maszynach synchronicznych w dziedzinie czasu.
2.2
Budowa silnika
Budowa silnika BLDC z wirujacym
˛
magnesem jest w zasadzie odwróceniem silnika komutatorowego z magnesami trwałymi: uzwojenia znajduja˛ si˛e w stojanie a wirnik wykonany
jest z odpowiednio ukształtowaniego magnesu. Mechaniczny komutator w silniku BLDC został zastapiony
˛
elektronicznym przełacznikiem,
˛
którego stan wyjściowy określony jest funkcja˛
położenia rotora.
Rysunek 1: Budowa silnika BLDC
Ze wzgl˛edu na liczb˛e uzwojeń, silniki BLDC możemy podzielić na jednofazowe, dwufazowe i trójfazowe. Najbardziej popularne i najszerzej stosowane sa˛ silniki trójfazowe, dlatego
też b˛eda˛ one głównym obiektem rozważań i badań w ninejszej pracy. W przeciwieństwie do silników jedno czy dwufazowych silniki trójfazowe zapewniaja˛ ciagłość
˛
oddziaływania momentu
nap˛edowego na wirnik. Ponadto pozwalaja˛ ze znacznie wi˛eksza˛ dokładnościa˛ sterować położeniem wirnika. Z powodów tych znajduja˛ one coraz cz˛eściej zastosowanie w aplikacjach, które
6
wymagaja˛ dużej precyzji, czyli m.in. takich jak robotyka.
Dla silników trójfazowych wyróżnić można dwie metody połaczenia
˛
uzwojeń stojana:
• gwiazda
• trójkat
˛ (delta)
Rysunek 2: Konfiguracja trójkat
˛ i gwiazda uzwojeń stojana
Sposób połaczenia
˛
uzwojeń ma wpływ na metod˛e sterowania i parametry silnika. Sterowanie silnikami z uzwojeniami połaczonymi
˛
w gwiazd˛e jest bardziej skomplikowane niż silnikami
pracujacymi
˛
w konfiguracji delta. W pierwszym wypadku silnik może wymagać zasilania tylko
dwóch faz, podczas gdy trzecia faza pozostaje nieobcia˛żona. Warunek ten powoduje, że układ
logiczny sterujacy
˛ końcówka˛ mocy staje si˛e troch˛e bardziej złożony. Konfiguracja delta uzwojeń stojana wymaga obcia˛żenia wszystkich faz podczas pracy silnika. Silniki z uzwojeniami
połaczonymi
˛
w gwiazd˛e charakteryzuja˛ si˛e wi˛ekszym momentem, mniejsza˛ pr˛edkośca˛ obrotowa˛ i mniejszym poborem pradu
˛ niż silniki o uzwojeniach połczonych w trójkat.
˛ Trójkatne
˛
połaczenie uzwojeń zapewnia wi˛esza˛ moc silnika, wi˛eksza˛ pr˛edkość obrotowa,˛ powoduje jednak wi˛ekszy pobór pradu
˛ i nagrzewanie si˛e silnika. Nie stanowi to jednak wi˛ekszego problemu,
ponieważ uzwojenia silnika BLDC zamontowane sa˛ na stojanie silnika co pozwala w łatwy sposób odprowadzać nagromadzone ciepło. W silniku trójfazowym liczba biegunów stojana jest
zawsze równa wieloktotności liczby trzy.
Wirnik silnika wykonany jest z odpowiedniego materiału magnetycznego o parzystej liczbie naprzemian porozmieszczanych biegunów magnetycznych N i S. Rodzaj stosowanego materiału
uwarunkowany jest wymaganym nat˛eżeniem generowanego pola. Do wytworzenia stałego pola
magnetycznego tradycyjnie używa sie magnesu ferrytowego. Wraz z rozwojem nowych technologii, pojawiły si˛e nowe stopy magnetyczne o znacznie lepszych parametrach. Chociaż koszt
stosowanie magnesu ferrytowego jest najniższy, to posiada on wad˛e, która˛ jest mały stosunek
wytwarzanego pola do obj˛etości materiału. Stosowanie stopów magnetycznych zapewnia dużo
wi˛eksza˛ wartość tego współynnika. Powoduje to, że wirnik jest lżejszy, a zatem charakteryzuje
si˛e mniejszym momentem bezwładności. Dzi˛eki temu parametry dynamiczne silnika ulegaja˛
znacznej poprawie. W przeciwieństwie do stojana, liczba par biegunów wirnika jest zawsze
parzysta.
Wyróżnić można dwie konstrukcje wirnika:
• z magnesami naklejonymi na powierzchni˛e wirnika
7
• z magnesami umieszczonymi promieniowo
Liczba biegunów stojana i wirnika determinuje wiele parametrów silnika. Ich stosunek określa
krok silnika i wpływa na jakość wytwarzanego momentu. Wi˛eksza liczba biegunów gwarantuje bardziej równomierne rozłożenie momentu nap˛edowego a maniejszy krok pozwala uzyskać
wi˛eksza˛ moc przy małych pr˛edkościach obrotowych. Poniżej przedstawiono przykładowe konstrukcje silników BLDC:
Rysunek 3: Konstrukcje silników BLDC
Zależność mi˛edzy ilościa˛ par biegunów stojana i wirnika określa również tzw. współczynnik
obrotu, który mówi ile pełnych obrotów pola magnetycznego przypada na jeden obrót mechaniczny. Przykładowo dla silnika o sześciu biegunach stojana i ośmiu wirnika współczynnik ten
wynosi 2. Natomiast gdy liczbe biegunów wirnika zwi˛ekszymy do dziesi˛eciu to na jeden obrót
wirnika b˛edzie przypadać pi˛eć obrotów pola.
2.3 Model matematyczny silnika pradu
˛ stałego
Punktem wyjścia do budowy modelu matematycznego silnika [12], [7] jest jego schemat
zast˛epczy przedstawiony na poniższym rysunku:
Rysunek 4: Schemat zast˛epczy silnika BLDC
W pierwszej kolejności należy rozpatrzyć indukcyjność uzwojeń stojana. W celu określenia wartości strumienia magnetycznego skojarzonego z uzwojeniem fazy a, należy uwzgl˛ednić
strumienie od pradu
˛ Ia płynacego
˛
w fazie a oraz pradów
˛
Ib i Ic w uzwojeniach faz b oraz c
skojarzone z uzwojeniem fazy a.
8
Zatem strumień magnetyczny skojarzony z uzwojeniem fazy a stojana wyrażony b˛edzie zależnościa:
˛
ψa = Ia Laa + Ib Lab + Ic Lac
Dla wszystkich faz otrzymamy:

 


ψa
Laa Lab Lac
Ia
 ψs  =  Lba Lbb Lbc   Ib 
ψc
Lca Lcb Lcc
Ic
(1)
(2)
przy czym:
Ia , Ib , Ic - prady
˛ fazowe stojana
ψa , ψb , ψc - strumienie magnetyczne skojarzone odpowiednio z faza˛ A, B i C stojana
Laa , Lbb , Lcc - indukcyjności własne
Lab , Lac , Lba . . . - indukcujności wzajemne
Korzystajac
˛ z drugiego prawa Kirchoffa, na podstawie schematu zast˛epczego (rysunek 4) wyznaczamy równania napi˛eciowe obwodu twornika:
 





 

Rs 0 0
Ia
Vas − vn
Laa Lab Lac
Ia
Ea
 Vbs − vn  =  0 Rs 0   Ib  + d  Lba Lbb Lbc   Ib  +  Eb 
(3)
dt
Vcs − vn
0 0 Rs
Ic
Lca Lcb Lcc
Ic
Ec
gdzie:
Rs - rezystancje uzwojeń faz stojana
Ea , Eb , Ec - siły elektromotoryczne indukowane w uzwojeniach stojana
Vas ,Vbs ,Vcs - potencjały na zaciskach faz uzwojeń stojana
vn - potencjał punktu neutralnego uzwojeń stojana, który wyraża si˛e zależnościa:
˛
vn =
c
1
[Vas +Vbs +Vcs ] − ∑ Ek
3
k=a
(4)
Indukowana SEM w uzwojeniach twornika ma przebieg trapezoidalny. Wartość szczytowa˛ takiego przebiegu wyznaczamy z równania:
E p = λω
(5)
Jeżeli założymy, że uzwojenia fazowe silnika sa˛ symetryczne to ich indukcyjności własne b˛eda˛
takie same:
Laa = Lbb = Lcc = L
(6)
Podobnie jednakowe b˛eda˛ indukcyjności wzajemne faz a − b, a − c, b − c w odniesieniu do jednej fazy:
Lab = Lac = Lbc = Lba = Lca = Lcb = M
(7)
Po uwzgl˛ednieniu zależności (6) i (7) równanie (3) przyjmie postać:







 

Vas − vn
1 0 0
Ia
L M L
Ia
Ea
 Vbs − vn  = Rs  0 1 0   Ib  + d  M L M   Ib  +  Eb 
dt
Vcs − vn
0 0 1
Ic
M M L
Ic
Ec
9
(8)
Jeżeli przyjmie si˛e, że suma pradów
˛
fazowych jest równa zeru (Ia + Ib + Ic = 0) to ostatecznie
otrzymamy:







 

Vas
1 0 0
Ia
L−M
0
0
Ia
Ea
 Vbs  = Rs  0 1 0   Ib  + d  0
L−M
0   Ib  +  Eb  (9)
dt
Vcs
0 0 1
Ic
0
0
L−M
Ic
Ec
Równanie strumieniowo - pradowe
˛
(2) i pradowo-napi˛
˛
eciowe (8) stanowia˛ układ równań wia˛ża˛
cych wielkości elektryczne symetrycznego trójfazowego silnika synchronicznego pradu
˛ stałego
z trapezoidalnym rozkaładem pola w szczelinie powietrznej.
Dla pełnego opisu silnika należy jeszcze uwzgl˛ednić zależność określajac
˛ a˛ wartość wytwarzanego momentu elektromagnetycznego Te . W wytwarzaniu tego momentu uczestnicza˛ składowe
zależne od zmian energii elektromagnetycznej przy obrocie wirnika:
[Ea Ia + Eb Ib + Ec Ic ]
ω
Wartość SEM indukowana w odpowiednich fazach silnika:
Te =
(10)
Ea = fa (θ)λω
Eb = fb (θ)λω
Ec = fc (θ)λω
(11)
Funkcje fa (θ), fb (θ), fc (θ) maja˛ przebieg o kształcie indukowanej SEM i przyjmuja˛ wartości z
przedziału [−1, 1].
Pr˛edkość katowa
˛
wirnika ω powiazana
˛
jest z cz˛estotliwośćia˛ generowanej SEM zależnościa:
˛
dθ p
= ω
dt
2
(12)
gdzie:
p - liczba biegunów
Równania stanu silnika BLDC w postaci macierzowej można wyrazić w nast˛epujacy
˛ sposób:
x = Ax + Bu
(13)
Wektor stanu x:



x=


Ia
Ib
Ic
θ
ω






(14)
Macierz silnika A:

Rs
Ll
0
0



A=



0
Rs
Ll
0
0
0
(λ p fa (θ))
Ll
(λ p fb (θ))
Ll
Rs
Ll
(λ p fc (θ))
Ll
0
0
0
10
(λ p fa (θ))
Ll
(λ p fb (θ))
Ll
(λ p fc (θ))
Ll
−B
J
p
2








(15)
Macierz wymuszenia B:

1
Ll
 0


B= 0

 0
0
0
1
Ll
0
0
0
0
0
1
Ll
0
0
0
0
0
−1
J







(16)
0
Wektor wymuszenia u:

Va
 Vb 

u=
 Vc 
Tl

(17)
gdzie:
Va ,Vb ,Vc - napi˛ecia fazowe
Tl - moment obcia˛żenia
2.4
Sterowanie silnikiem
Jak wspomniano wcześniej, silnik BLDC jest silnikiem pradu
˛ stałego pozbawionym komutatora mechanicznego. Powoduje to, że komutacja tego rodzaju silnikami przebiega w całkowicie odmienny sposób niż tradycyjnych silników szczotokowych. Rol˛e komutatora pełni tutaj
układ elektroniczny, który wytwarza sygnały sterujace
˛ dla silnika w oparciu o sygnal sprz˛eżenia
zwrotnego od położenia wirnika.
2.4.1
Struktura układu sterowania
Na poniższym rysunku przedstawiono ogólny schemat blokowy układu sterowania silnikami BLDC. Jest on właściwy dla wszystki rodzajów silników bezszczotkowych, zarówno
pradu
˛ stałego jak i zmiennego.
Rysunek 5: Schemat blokowy układu sterowania silnikiem BLDC
W układzie sterowania wyróżnić można trzy główne elementy:
11
• jednostka sterujaca
˛
• wzmacniacz
• czujnik położenia
Zadanie jednostki sterujacej
˛ polega na wygenerowaniu odpowiednich sygnałów sterujacych
˛
dla wzmacniacza, który załacza
˛
odpowiednie fazy silnika, zgodnie ze wcześniej zaprogramowanym schematem komutacji [10]. Do utrzymania synchronizmu jednostka sterujaca
˛ wykorzystuje sygnały z czujników położenia wirnika. Dla silników pradu
˛ stałego kształty napi˛eć
sterujacych
˛
sa˛ prostokatne
˛ i zależa˛ od konstrukcji silnika. Dla trójfazowego silnika z uzwojeniami połaczonymi
˛
w gwiazde przedstawiaja˛ si˛e nast˛epujaco:
˛
Rysunek 6: Przebiegi napi˛eć sterujacych
˛
silnika
Przesuni˛ecie fazowe napi˛eć sterujacych
˛
wynika ze sposobu rozmieszczenia kolejnych par biegunów magnetycznych stojana, które na osi stojana porozmieszczane sa˛ wzgl˛edem siebie co
120 stopni. Warto zwrócić uwag˛e, że w każdym momencie komutacji jedna faza silnika pozostaje nieobcia˛żona. Jest to cecha˛ charakterystyczna˛ silników trójfazowych o uzwojeniach
stojana połaczonych
˛
w gwiazd˛e.
12
Kierunki przepływu pradu
˛ w uzwojeniach silnika odpowiadajace
˛ sygnałom sterujacym
˛
z
rysunku 6 przedstawiono poniżej:
Rysunek 7: Kierunek przepływu pradu
˛ w kolejnych fazach komutacji
13
Wzmacniacz przetwarza sygnały komutacji o niskich energiach dostarczonych z jednostki
sterujacej
˛ na sygnały, którymi można bezpośrednio wysterować uzwojenia silnika.
Rysunek 8: Schemat układu wzmacniacza
Wzmacniacz zbudowany jest z trzech par komplementarne połaczonych
˛
tranzystorów mocy
tworzacych
˛
mostek. Konstrukcja mostka zapewnia bipolarne sterowanie uzwojeniami silnika.
Żeby wybrana˛ faz˛e silnika spolaryzować dodatnim napi˛eciem zasilania należy właczyć
˛
górny
tranzystor odpowiedniej pary komplementarnej przy jednoczesnym blokowaniu dolnego tranzystora. Zasilenie fazy napi˛eciem ujemnym uzyskujemy przez odwrotna˛ polaryzacje tranzystorów. Faza silnika pozostaje nieobcia˛żona przy jednoczesnym blokowaniu obu połaczonych
komplementarnie tranzystorów.
Czujniki położenia dostarczaja˛ jednostce sterujacej
˛ informacje o aktualnym położeniu wirnika. Sterownik wykorzystuje ja˛ do wytworzenia sygnałów komutacji dla silnika. Wyróżnić
można trzy główne sposoby określania pozycji wirnika wzgl˛edem biegunów magnetycznych
stojana:
• czujniki Hall’a
• koder kwadraturowy
• pomiar SEM indukowanej w uzwojeniach stojana
Wszystkie trzy sposoby dostarczaja˛ sygnały sprz˛eżenia zwrotnego o różnym charakterze,
dlatego każda metoda wymaga innej struktury komutatora i algorytmów sterowania.
2.4.2
Komutacja z wykorzystaniem czujników Hall’a
Komutacja zapewnia odpowiedni rotacje pola stojana [8]. Dla właściwej pracy silnika wymaga sie aby wektory pola wytwarzane przez uzwojenia stojana i magnesy wirnika były możlwie prostopadłe. Jak przedstawiaja˛ przepiegi sygnałów sterujacych
˛
na jeden pełen obrót pola
przypada sześć kolejnych kombinacji zasilania uzwojeń silnika, odpowiada to również sześciu kolejnym zmianom wektorów pól stojana. Zmiana wektora pola musi nastapić
˛ w ściśle
określonym momencie. Najprostrzym i najpardziej popularnym sposobem określenia momentu
komutacji jest wykorzystanie czujników Halla’a. W silniku trójfazowym wykorzystuje si˛e trzy
czujniki Hall’a, które dostarczaja˛ trzech sygnałów, reprezentujacych
˛
sześć stanów komutacji.
14
Każdej kombinacji sygnałów z czujnika Hall’a odpowiada jeden wektor nat˛enia pola stojana.
Wszystkie kombinacje sygnałów wyjściowych czujników Halla i odpowiadajace
˛ im wektory
nat˛eżenia pola przedstawione sa˛ na rysunku 9
Rysunek 9: Rozkład wektorów pól stojana dla różnych stanów czujników Hall’a
Sygnały A, B i C z czujników Halla przyjmuja˛ wartości logiczne 0 i 1. Zależa˛ one od tego,
nad którym biegunem pola wirnika (N albo S) znajduje si˛e określony czujnik. Dwie nast˛epne
ilustracje prezentuja˛ kolejne fazy komutacji. Bieżacej
˛ pozycji wirnika z rysunku 10 odpowiada
stan wyjściowy czujników Hall’a ABC[110] (zgodnie z rysunkiem 9). Polaryzacje +Udb fazie
A zapewnia tranzystor Q1. Faza C jest zwierana do −Udb za pomoca˛ Q4, faza B pozostaje nieobcia˛żona. Po osiagni˛
˛ eciu określonej pozycji wirnika, nast˛epuje zmiana sygnałw wyjściowych
czujników Hall’a z ABC[110] na ABC[100] (rysunek 11). Jednocześnie nast˛epuje zmiana polaryzacji uzwojeń stojana, która utrzyma właściwy kierunek wektora pola stojana wzgl˛edem
pola wirnika.
Wytwarzanie wirujacego
˛
pola magnetycznego w sześciu kolejnych krokach komutacji nie
pozwala utrzymać stałego kata
˛ mi˛edzy wektorami pola stojana i wirnika. Podczas obrotu wirnika kat
˛ mi˛edzy wektorami zmienia sie od 60 do 120 stopni.
15
Rysunek 10: Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛eżenia pola stojana przed komutacja˛
Rysunek 11: Polaryzacja faz wraz kierunkiem nat˛eżenia pola stojana po komutacji
16
2.4.3
Komutacja z wykorzystaniem kodera kwadraturowego
Z kodera kwadraturowego, podobnie jak z czujników Hall’a otrzymujemy trzy sygnały
sprz˛eżenia zwrotnego, ale o zupełnie innym charakterze [8]. W przeciwieństwie do czujników Hall’a, sygnały z kodera kwadraturowego nie określaja˛ bezwzglednej pozycji wirnika i
momentu komutacji. Na wyjściach A i B czyjnika, wytwarzane sa˛ dwa przebiegi prostokatne
˛
przesuni˛ete w fazie o 90 stopni. Liczba kolejno zliczonych zboczy sygnałów na wyjściach A
i B kodera pozwala dokładnie określicz przemieszczenie katowe
˛
wirnika. Stopień dokładnośći pomiaru zależy od rozdzielczości zastosowanego kodera. Pomiar obrotu dokonywany jest
wzgl˛edem ustalonego punktu odniesienia. Punktem tym może być tzw. impuls indeksujacy
˛ z
trzeciego wyjścia kodera, który pojawia sie raz na pełen obrót. Przemieszczenie można również
mierzyć wzgl˛edem uprzednio ustalonej pozycji wirnika.
Rysunek 12: Przebieg sygnałów na wyjściu kodera kwadraturowego
Ponieważ komutacja silnika BLDC powinna nastapić
˛ w sześciu ściśle określonych momentach, zastosowanie kodera kwadraturowego wymaga przydzielenia całej sekwencji elektrycznych komutacji sześciu równych sektorów:
Rysunek 13: Podział etapów komutacji na 6 sektorów
17
Powyżej założono, że na jeden obrót mechaniczny silnika, czujnik położenia wytwarza na
obu wyjściach łacznie
˛
1000 impulsów. Jeżeli przyjmiemy, że na jeden obrót wirnika przypada
jeden obrót pola stojana to komutacja silnika powinna nast˛epować po zliczeniu 166 kolejnych
impulsów. Zadaniem sterownika jest ciagłe
˛ zliczanie sygnałów czujnika i zmiana sygnałów
sterujacych
˛
w chwili przekraczania graniac kolejnych sektorów.
2.4.4
Komutacja z wykorzystaniem SEM indukowanej w uzwojeniach stojana
W metedzie tej wykorzystuje si˛e fakt, że podczas komutacji jedna z faz silnika pozostaje
nieobcia˛żona [7]. W wyniku obrotu wirnika w uzwojeniach stojana indukuja˛ si˛e zwrotne siły
elektromotoryczne. Zwrotna˛ SEM indukowana˛ w nieobcia˛żonym uzwojeniu stojana można w
łatwy sposób zmierzyć i wykorzystać jej charaktertstyczny przebieg do wytworzenia sygnałów
sprzeżenia zwrotnego od położenia wirnika.
Rozkłady pól magnetycznych wytwarzane przez magnesy wirnika i przebiegi zwrotnych
SEM przedstawiono na rysunku poniżej:
Rysunek 14: Charakterystyki zwrotnych SEM indukowanych w fazach silnika
18
Kształt indukowanych SEM przypomina trapez, stad
˛ tego typu przebiegi nazwa si˛e trapezoidalnym. Wartośći SEM określone sa˛ wzgl˛edem punktu neutralnego uzwojeń twornika. Przebieg indukowanej SEM oscyluje wzgl˛edem potencjału punktu w którym skupiaja˛ sie wszystkie
uzwojenia silnika. Moment zmiany sygnału sprz˛eżenia nast˛epuje, gdy punkt neutralny silnika
i zacisk nieobcia˛żonej fazy osiagaj
˛ a˛ takie same potencjały. Każdej zmianie sygnałów sprz˛eżenia zwrotnego odpowiada zmiana sygnałów sterujacych
˛
silnikiem (podobnie jak dla komutacji
z czujnikami Halla). Zwiazek
˛
mi˛edzy sygnałami na wyjściu czujników Hall’a a przebiegiem
SEM w fazach silnika przedstawiono poniżej:
Rysunek 15: Zależność mi˛edzy sygnałami na wyjściu czujników Hall’a a przebiegiem indukowanych SEM w
uzwojeniach stojana
Klasyczny układ generujacy
˛ sygnały sprz˛eżenia zwrotnego w oparciu o indukowana˛ SEM
przedstawiono na rysunku 16. Do detekcji przejścia indukowanej SEM przez punkt neutralny
silnika wykorzystuje si˛e komparatory napi˛ecia. Na wejściu komparatorów należy dodatkowo
właczyć
˛
filtr RC, który tłumi zakłócenia powstajace
˛ w wyniku przłaczania
˛
tranzystorów wchodzacych
˛
w skład mostka. Stan wejść multipleksera zależy od etapu komutacji i zapewnia wybór
wyjścia odpowiedniego komparatora.
Układ z rysunku 16 zakłada, że punkt neutralny silnika został wyprowadzony na zewnatrz.
˛
Pomiar SEM nie przedstawia wtedy wiekszych problemów i sprowadza si˛e do podłaczenia
˛
wejść komparatora mi˛edzy odpowiednie zaciski wyjściowe silnika. Cz˛esto jednak dost˛ep do
punktu neutralnego silnika jest niemożliwy. W takich przypadkach, do pomiaru SEM stosuje
si˛e różne techniki. Jedna znich polega na stworzeniu sztucznego punktu neutralnego z trzech
odpowiednio połaczonych
˛
rezystorów. Potencjał tego punktu jest teoretycznie taki sam jak
punktu neutralnego uzwojeń stojana. Układ pomiarowy w tym przypadku jest identyczny jak
poprzednio z tym, że teraz jedno z wejść komparatora jest właczone
˛
w środek gwiazdy stworzonej z układu rezystorów (rysunek 17).
Metoda sterowania z wykorzystaniem SEM indukowanych w uzwojeniach silnika (sensorless
control) nie wymaga żadnych dodatkowych zewn˛etrznych czujników położenia. Jest to główna˛
19
Rysunek 16: Układ detekcji przejścia SEM przez punkt neutralny
Rysunek 17: Układ detekcji ze sztucznym punktem neutralnym
i właściwie jedyna˛ zaleta˛ takiego rozwiazania.
˛
Niedogodności zwiazane
˛
z ta˛ technika˛ to przede
wszystkim ograniczenie dolnej, minimalnej pr˛edkości obrotowej. Problem ten zwiazany
˛
jest z
warunkiem wytworzenia SEM o odpowiednio dużej amplitudzie. Z warunkiem tym zwiazana
˛
jest również wrażliwość silnika na gwałtowne zmiany obcia˛żenia, które moga˛ wyprowadzić
silnik z synchronizmu.
Przedstawione wyżej techniki sterowania silnikiem, oparte na pomiarze zwrotnej siły elektromotorycznej nie zostały zaimplementowane podczas konstrukcji stanowiska badawczego.
Właściwości silnika z tego typu sterowaniem eliminuja˛ go z zastosowań w dziedzinach w których wymaga si˛e dużej dynamiki przy cz˛estych zmianach kierunku ruchu i przyspieszeń. Rozdział ten pokrótce omówił podstawowe zagadnienia zwiazane
˛
z budowa˛ i sterowaniem silnikami
BLDC. Kolejne rozdziały przedstawia˛ konkretne rozwiaza
˛ układowe i gł˛ebsza˛ analize wybranych problemów.
20
3
Konstrukcja stanowiska
Badajac
˛ własności nap˛edów elektrycznych należy wziać
˛ pod uwag˛e nie tylko te cechy,
które wynikaja˛ z własności samego silnika, należy rozpatrzyć silnik wraz z układem sterowania jako całość. Cz˛esto to bowiem możliwości samego układu sterowania decyduja˛ o osiagach
˛
konkretnego silnika. Szczególnie bezszczotkowe silniki pradu
˛ stałego sa˛ jednostkami nap˛edowymi, których działanie w równym stopniu zależy od parametrów silnika co układu sterowania. Jednym z głównych założeń podczas realizacji pracy, było stworzenie stanowiska badawczego, które w jak najszerszym aspekcie b˛edzie prezentowało zagadnienia zwiazane
˛
z silnikami
BLDC. Uwzgl˛edniajac
˛ powyższe, konieczne stało si˛e podzielenie fizycznego stanowiska na
moduły, które rozdzielaja˛ układ sterownika od reszty stanowiska. Stwarza to dodatkowa˛ możliwość sprawdzenia i przetestowania różnych układów sterowników pod katem
˛
wykorzystania
ich w aplikacjach z tego typu silnikami.
W skład stanowiska wchodza˛ trzy główne elementy:
• Moduł sterownika
• Moduł układu docelowego
• Zasilacz mocy
Schemat blokowy stanowiska przedstawiono na rysunku 18.
Rysunek 18: Budowa stanowiska
Moduł sterownika łaczy
˛
si˛e z układem docelowym za pomoca˛ złacz
˛ Z1, Z2 i Z3. Elementem dodatkowym jest komputer nadrz˛edny, który przechwytuje dane pomiarowe sterownika i
pozwala na ich wygodna˛ analize. Obecnoć komputera daje dodatkowa˛ możliwość zmiany programu sterownika, co pozwala np. na zaimplementowanie własnych algorytmów sterowania
silnikiem.
21
Schemat blokowy układu elektronicznego stanowiska pokazano na rysunku 19.
Rysunek 19: Schemat blokowy cz˛eści elektronicznej stanowiska
3.1
Sterownik
Do zadań sterownika należy zbieranie i przetwarzanie danych z czujników, obsługa interfejsu użytkownika, generowanie sygnałów komutacji dla silnika i komunikacja. Sterownik został zmontowany na płytce uniwersalnej na której głównym elementem jest moduł z proesorem
MC68332. Ponadto płytka sterownika zawiera zasilacz lokalny i interfejs RS232. Płytk˛e układu
sterownika przedstawiono na rysunku 20.
Rysunek 20: Płytka sterownika
22
MAX232 służy do dopasowania napi˛eć mi˛edzy układem transmisji szeregowej procesora
MC68332, a układem UART płyty głównej komputera, umożliwiajac
˛ realizacje transmisji w
standardzie RS232. Złacza
˛ Z1, Z2 i Z3 łacz
˛ a˛ płytke sterownika z układem docelowym i zostana˛
opisane przy okazji omawiania kolejnych elementów stanowiska.
3.1.1
Moduł z procesorem MC68332
Sercem modułu jest 32-bitowy mikrokontroler MC68332 firmy Motorola [6]. Oprócz mikrokontrolera w skład modułu wchodzi zestaw niezb˛ednych towarzyszacych
˛
mu elementów
takich jak zewn˛etrzna pami˛eć programu i danych, rezonator kwarcowy, rezystory wymuszajace
˛
odpowiednie stany logiczne na określonych portach. Dodatkowe zworki i złacza
˛
zwiekszaja˛
elestyczność układu, umożliwiajac
˛ wybór trybu pracy. Wyprowadzone złacze
˛
BDM daje dost˛ep do wewn˛etrznego emulatora mikrokontrolera, który w bardzo wygodny sposób pozwala na
modyfikowanie i testowanie pisanych programȯw z poziomu PC.
Podstawowe własności mikrokontrolera MC68332:
• 32-bitowa jednostka centralna CPU
• wewn˛etrzny programowalny dekoder adresowy
• układ watchdog
• moduł transmisji szeregowej SQM, w skład którego wchodza,˛ układ transmisji asynchronicznej SCI, oraz kolejkowy interfejs szeregowy QSPI
• wewn˛etrzny układ emulatora BDM
• specjalizowany, programowalny układ procesora czasowego TPU, umożliwiajacy
˛ realizowanie różnych zadań czasowo-licznikowych na 16 oddzielnych kanałach
• 2KB szybkiej pami˛eci RAM, która może zostać wykorzystana przez jednostk˛e centralna,˛
badź
˛ pracować jak pami˛eć programu dla układu TPU
Na szczególna˛ uwag˛e zasługuje układ TPU, który wykonuje cała˛ prac˛e zwiazan
˛ a˛ ze sterowaniem silnikiem BLDC. Zostanie mu poświ˛econy osobny rozdział w którym b˛eda˛ przedstawione szczegóły dotyczace
˛ konfiguracji kanałów i funkcji TPU odpowiedzialnych za określone
działania.
3.1.2
Zasilacz lokalny
Do zasilania układów płytki sterownika słóży lokalny zasilacz o stabilizowanym napi˛eciu
wyjściowym równym +5V. Schemat zasilacz przedstawia rysunek 21.
Rysunek 21: Lokalny zasilacz płytki sterownika +5V
23
Mostek B1 zapewnia poprawna˛ polaryzacje napi˛ecia wejściowego stablizatora. Rol˛e stabilizatora pełni popularny układ 7805 o pradzie
˛
obcia˛żenia 1A. Zworka J1 pozwala na zasilanie
ukłdów płytki sterownika z zewn˛etrznego źródła. Dioda LED sygnalizuje stan pracy stabilizatora.
3.2
3.2.1
Układ docelowy
Silnik
Jedna˛ z pierwszych decyzji, która˛ trzeba było podjać
˛ na wczesnym etapier pracy, był dobór
odpowiedniego silnika. Ze wzgl˛edów praktycznych silnik powinien był charakteryzować si˛e
małymi gabarytami, i być wyposażony w czujniki Halla. Wymagania takie spełniaja˛ silniczki
stosowane w nap˛edach CD-ROM, gdzie sa˛ wykorzystywane do obracania nośnikami CD. Zdj˛ecia silnika przedstawiono na rysunku 22 i 23.
Rysunek 22: Stojan silnika BLDC
Rysunek 23: Wirnik silnika BLDC
24
Parametry konstrukcyjne silnika:
• silnik trójfazowy
• uzwojenia stojana połaczone
˛
w gwiazd˛e
• 9 biegunów magnetycznych po stronie stojana
• 18 par biegunów magnetycznych wirnika
• 3 czujniki Halla z wyjściami analogowymi
• brak wyprowadzenia punktu neutralnego
Parametry robocze:
• napi˛ecie zasilania 10-12V
• pr˛edkość obrotowa ok. 11000 obr/min
• max. prad
˛ rozruchowy ok. 600mA
• prad
˛ znamionowy ok. 350mA
Konstrukcja silnika zapewnia mu krok 10 stopni. Przy sześciostopniowej sekwencji komutacji, jednemu obrotowi pola magnetycznego stojana odpowiada mechaniczne przemieszczenie
wirnika o 60 stopni. Zatem na jeden obrót mechaniczny przypada sześć kolejnych sześciostopniowych sekwencji komutacji.
Ze wzgl˛edu na analogowy charakter sygnałów wyjściowych czujników Halla, koniecze było
zastosowanie dodatkowego układu przetwarzajacego
˛
ciagły
˛ sygnał wyjściowy na wartości dyskretne. Schemat układu realizujacego
˛
te zadanie przedstawiono na rysunku 24
Rysunek 24: Układ dyskretyzujacy
˛ napi˛ecie wyjściowe czujników Halla
25
Przebieg napi˛ecia mi˛edzy para˛ wyjść czujnika Halla i odpowiadajace
˛ mu wartości dyskretne
przedstawiono na rysunku 25. Rol˛e przetwornika w układzie z rysunku 24 pełnia˛ zwykłe komparatory napi˛ecia. Wyjście komparatora nasyca si˛e do jednego z biegunów napi˛eć zasilania
w zależności od polaryzacji jego wejść. W przypadku, gdy potencjał wejścia nieodwracaja˛
cego komperatora jest wi˛ekszy od potencjału wejścia odwracajacego,
˛
wyjście układu nasyca
sie do napi˛ecia +5V. Stopień wyjściowy układu LM311 z otwartym kolektorem, wymagana
dodatkowo rezystorów podciagaj
˛ acych.
˛
Wyjścia komparatorów sa˛ bezpośrednio łaczone
˛
z kanałami wejściowymi TPU, na których działa funkcja HALLD. Eliminacj˛e zakłóceń (przerzutów) powstajacych
˛
przy zmianie polaryzacji wyjść czujników Halla, zapewniaja˛ filtry cyfrowe
w stopniach wejściowych kanałów TPU. Filtr tłumi impulsy o cz˛estotliwości przekraczajacej
˛ 4
takty zegara CPU. Diody LED dołaczone
˛
do wyjść komparatora odzwierciedlaja˛ stany sygnałów sprz˛eżenia zwrotnego z czujników położenia.
Rysunek 25: Przebieg napi˛ecia na wyjściu komparatora i odpowiadaja˛ mu wartości logiczne
Opis wyprowadzeń silnika znajduje si˛e w tabeli 1.
Nr. Oznaczenie Opis
1
U
Faza U silnika
2
V
Faza V silnika
3
W
Faza W silnika
4
H1 −
Ujemne wyjście 1 czujnika Hall’a
5
H1 +
Dodatnie wyjście 1 czujnika Hall’a
6
H2 −
Ujemne wyjście 2 czujnika Hall’a
7
H2 +
Dodatnie wyjście 2 czujnika Hall’a
8
H3 −
Ujemne wyjście 3 czujnika Hall’a
9
H3 +
Dodatnie wyjście 3 czujnika Hall’a
10
UH −
Ujemny biegun zasilania czujników Hall’a
11
UH +
Dodatni biegun zasilania czujników Hall’a
Tablica 1: Opis wyprowadzeń silnika
26
Sygnały zasilajace
˛ uzwojenia stojana i sygnały sprzeżenia zwrotnego zostały rozdzielone i
łacz
˛ a˛ sia˛ z płytka˛ układu docelowego za pomoca˛ złacza
˛ Z4 i Z5.
Rysunek 26: Złacze
˛ Z4 i Z5 silnika
Polaryzacje uzwojeń silnika i odpowiadajace
˛ im zdyskretyzowane stany wyjściowe czujników Halla przedstawiono w tabeli 2.
Faza U Faza V Faza W Czujnik H1 Czyjnik H2 Czujnik H3
-U
+U
+U
0
0
1
-U
-U
+U
1
0
1
+U
-U
+U
1
0
0
+U
-U
-U
1
1
0
+U
+U
-U
0
1
0
-U
+U
-U
0
1
1
Tablica 2:
3.2.2
Obciażenie
˛
Obcia˛żenie silnika BLDC stanowi silnik szczotkowy z magnesami stałymi, pracyujacy
˛ w
trybie pradnicowym.
˛
Sprz˛eżenie mechaniczne silnika i pradnicy,
˛
realizowane jest za pomoca˛
kół pasowych o przełożeniu 2 do 1 (rysunek 27).
Rysunek 27: Układ sprz˛egajacy
˛ silnik z pradnic
˛
a˛
1. Koło pasowe silnika
2. Silnik BLDC
3. Koło pasowe pradnicy
˛
4. Pradnica
˛
5. Pasek sprz˛egajacy
˛
27
Moment hamujacy
˛ wytwarzany na wale pradnicy
˛
ma charakter dynamiczny i zależy od pr˛edkości obrotowej silnika nap˛edzajacego.
˛
Układ taki doskonale symuluje zjawisko tarcia lepkiego.
Przy ustalonej pr˛edkości silnika, siła hamowania pradnicy
˛
zależy tylko od pradu
˛ obcia˛żenia i
jest do niego proporcionalna. Wartość pradu
˛ oncia˛żenia można wyznaczyć z zależności:
Iobc =
U
Robc
(18)
przy czym:
˛
U - napi˛ecie na zaciskach wyjściowych pradnicy
Robc - rezystancja obcia˛żenia pradnicy
˛
Napi˛ecie U na zaciskach wyjściowych pradnicy:
˛
U = E − Iobc Rt
(19)
gdzie:
Rt - rezystancja uzwojeń twornika
E - SEM indukowana w uzwojeniach twornika
Wartość indukowanej SEM jest proporcionalna do pre˛edkości obrotowej wirnika:
E = kω
(20)
Ostatecznie wartość napi˛ecia na zaciskach pradnicy
˛
wyznacza równanie (21)
U=
E
l
1 + RRobc
(21)
Zależność napi˛ecia na zaciskach pradnicy
˛
od pr˛edkości dla różnych wartości rezystancji obcia˛
żenia uzyskana˛ w trakcie eksperymentu przedstawiono na rysunku 28.
Rysunek 28:
28
Im wi˛eksza rezystancja obcia˛żenia, tym mniejsze oddziaływanie twornika pradnicy,
˛
a co zatym idzie mniejszy moment hamujacy.
˛ Dla bardzo dużych rezystancji charakterystyka pradnicy
˛
praktycznie nie różni si˛e od charakterystyki biegu jałowego. Do regulacji momentu hamowania
służy układ mikroprzełaczników,
˛
który obcia˛ża wyjście pradnicy
˛
różnymi wartościami rezystancji.
Liniowa charakterystyka pradnicy
˛
(silnika) w pełnym zakresie pr˛edkości sprawia, że można ja˛
z powodzeniem wykorzystać do określania pr˛edkości obrotowej silnika. W tym celu do wyjścia pradnicy
˛
oprócz obcia˛żenia podłaczono
˛
układ umożliwiajacy
˛ pomiar napi˛ecia wyjściowego
pradnicy
˛
(rysunek 29).
Rysunek 29: Tor pomiarowy napi˛ecia pradnicy
˛
Na wejściu układu pomiarowego zastosowano dzielnik napi˛ecia złożonu z rezystorów R9 i
R10. Zadaniem dzielnika jest ograniczenie maksymalnej wartości napi˛ecia wyjściowego prad˛
nicy na wejściu kolejnego stopnia toru pomiarowego do ok. 4V. Ze wzgl˛edu na duża˛ wartość
napi˛ecia pulsacji (max.2V) do wyjścia dzielnika dołaczono
˛
aktywny dwubiegunowy filtr dolnoprzepustowy o duże stałej czasowej RC. Filtr tłumi również składowa˛ dużej cz˛estotliwości
napi˛ecia wyjściowego pochodzac
˛ a˛ od iskrzenia na szczotkach. Duża wartość stałej czasowej
filtru byłaby niepożadana,
˛
gdybyśmy napi˛ecie pradnicy
˛
wykorzystali jako sygnał sprz˛eżenia
zwrotnego od pr˛edkości. Zwi˛ekszyło by to bowiem znacznie stałe czasowe układu regulacji.
Wyjście filtru łaczy
˛
si˛e z dwunastobitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym MAX1270
firmy MAXIM [17], który komunikuje si˛e ze sterownikiem za pomac
˛ a˛ interfejsu SPI poprzez
złacze
˛ Z1 (rysunek 30). W tabeli 3 znajduje sie opis wyprowadzeć SPI.
Rysunek 30: Złacze
˛ Z1
Nr Oznaczenie Nr Oznaczenie
1
GDN
6
VCC
2
PCS1
7
PCS1
3
PCS2
8
PCS3
4
SCK
9
MISO
5
MOSI
10
GDN
Tablica 3: Opis złacza
˛ Z1
29
Rol˛e obcia˛żenia statycznego pełni układ mechaniczny ze spr˛eżyna˛ (rysunek 31), która poprzez sworzeń dociska tarcz˛e hamujac
˛ a˛ umieszcona˛ na kole pasowym pradnicy.
˛
Moment hamujacy
˛ ma charakter tarcia suchego i jest proporcionalny do siły nacisku spr˛eżyny.
Rysunek 31: Mechanizm hamujacy
˛ - rzut boczny
1. Pokr˛etło regulacji siły hamowania
2. Obudowa układu dociskowego sworzeń - pr˛eżyna
3. Sworzeń dociskowy
4. Tarcza hamulca
5. Pradnica
˛
Rysunek 32: Mechanizm hamujacy
˛ - zdj˛ecie
Pokr˛etło umieszczone na ramieniu wysi˛egnika pozwala na płynna˛ regulacj˛e siły tarcia.
30
3.2.3
Wzmacniacz mocy z logika˛ sterujac
˛ a˛
Energi˛e do silnika dostarcza stopień mocy, którego kompletny schemat ideowy przedstawiono na w dodatku B (rysunek 67). Wzmacniacz składa si˛e z trzech identycznych, niezależnie
sterowanych półmostków mocy (rysunek 33).
Rysunek 33: Schemat ideowy półmostka mocy
Stopień wyjściowy półmostka tworzy para komplementarnie połaczonych
˛
tranzystorów bipolarnych T2 i T3 . Dolny tranzystor półmostka T3 zapewna ujemne zasilanie fazy silnika. Baza
tranzystora T3 wysterowywana jest z wyjścia bramki AND U1C. Rezystor R3 służy do ograniczenia pradu
˛ bazy T3 , natomiast rezystor R5 zapewnia blokowanie tranzystora na wypadek rozwarcia sygnałów sterujacych.
˛
Konstrukcja układu logicznego w stopniu wejściowym mostka
gwarantuje, że niezależnie od sygnałów sterujacych
˛
(IN1, E i PWM) wyjściowe tranzystory T2
i T3 nigdy nie b˛eda˛ właczone
˛
jednocześnie. Stan wejścia IN1 decyduje o kierunku napi˛ecia na
wyjściu stopnia mocy. Jedynka na wejściu powoduje, że górny tranzystor T2 wchodzi w stan nasycenia, natomiast T3 jest blokowany. w przypadku, gdy IN=0 sytuacja jest odwrotna. Wejście
E uaktywania lub blokuje określony półmostek. Stan niski powoduje, że oba tranzystory stopnia wyjściowego sa˛ blokowane. Przy właczonym
˛
półmostku stan tranzystorów wyjściowych
określony jest sygnałem sterujacym
˛
wejścia IN. Wejście górnego tranzystora T2 sterowane jest
z wyjścia bramki U2A poprzez tranzystor T1 . Rezystory R1 , R3 , R4 ograniczaja˛ prady
˛ baz tranzystorów T1 , T3 i T2 , a rezystor R2 pełni taka˛ sama˛ funkcje jak R5 w dolnej cz˛eści mostka. Tabela
4 przedstawia zależność mi˛edzy sygnałami sterujacymi,
˛
a biegunem napi˛ecia podawanego na
faz˛e silnika. Wejście PWM reguluje wartość skuteczna˛ napi˛ecia zasilania. Do sygnalizacji
polaryzacji uzwojeń stojana użyto dodatkowo dwukolorowych diod LED.
IN1 E
0
0
0
1
1
0
1
1
T2
T3
V
LED
OFF OFF - nie świeci
OFF ON -U
zielony
OFF OFF - nie świeci
ON OFF +U czerwony
Tablica 4:
31
3.2.4
Układ pomiaru pradu
˛
Tor pomiaru pradu
˛ silnika pokazano na rysunku 34 Przetwornik prad
˛ - napi˛ecie tworza˛
Rysunek 34: Układ pomiaru pradu
˛ silnika
dwa równolegle połaczone
˛
rezystory pomiarowe o rezystancji 1Ω każdy. Napi˛ecie z rezystorów pomiarowych podawane jest na wzmacniacz U12. Na wejściu wzmacniacza zastosowano
filtr przeciwzakłóceniowy EMI skadaj
˛ acy
˛ si˛e z R33 ,C8 , R34 ,C9 iC10 . Stałopradowe
˛
wzmocnienie
wzmacniacza wyznacza zależność:
R35
ku = −
(22)
R33
Na wyjściu wzmacniacza znajduja˛ si˛e dwa kaskadowo połaczone
˛
dolnoprzepustowe filtry aktywne Sallen Keya. Ich zadaniem jest ograniczenie pasma sygnału na wejściu przetwornika
A/C. Wyjście filtru dołaczono
˛
do drugiego kanału przetwornika MAX1270 [17].
3.2.5
Koder kwadraturowy
Wyjściowe sygnały kodera kwadraturowego wykorzystywane sa˛ nie tylko jako sygnały
sprz˛eżenia zwrotnego w procesie komutacji. Moga˛ być one również zródłem informacji o
kierunku i predkości wirnika. Zastosowano 10 - bitowy koder magnetyczny AS5040 firmy
Austriamicrosystem (rysunek 35). Wewnatrz
˛ obudowy układu umieszczony jest zespół czuj-
Rysunek 35:
ników Halla, przedwzmacniacz analogowy, regulator napi˛ecia i interfejs cyfrowy [9]. AS5040
jest czujnikiem bezkontaktowym i wymaga jedynie umieszczenia niewielkiego magnesu na lub
pod obudowa.˛ Dziesi˛eciobitowa rozdzielczość pozwala na wykrycie 1024 pozycji przy pełnym
obrocie o 360 stopni. Dzi˛eki dużej skali integracji czujnik wymaga minimum obwodów zewn˛etrznych. Jest alternatywa˛ dla koderów optycznych z uwagi duża˛ niezawodność działania i
małe wymiary.
Syganały wyjściowe wyprowadzone sa˛ w kilku wariantach:
32
• przez interfejs szeregowy
– położenie wzgl˛edne (sygnały A, B, Index) - tryb 1
– położenie bezwzgl˛edne (sygnały Lsb, Dir) - tryb 2
• wyjście PWM
Układ może pracować z dwoma poziomami napi˛eć zasilania (3,3V i 5V). Rozdzielczość
kodera jest programowalna w zakresie od 7 do 10 bitów. Domyślna˛ wartościa˛ jest 10 bitów.
Bardzo ciekawa˛ własnościa˛ układu jest to, że może on pracować jako komutator silnika bezszczotkowego. Wymaga to przeprogramowania układu w inny tryb pracy. Po przeprogramowaniu
wszystkie trzy wyjścia kodera kwadraturowego, zostaja˛ zastapione
˛
sygnałami sterujacymi
˛
U, V,
W silnika. Wykorzystanie układu AS5040 bezpośrednio jako komutatora ogranicza si˛e do sterowania silnikami tylko o określonej konstrukcji. Wymagany jest silnik trójfazowy o 1 lub 2
parach biegunów magnetycznych wirnika.
Zastosowany układ pracuje w trybie 1 (domyślnym) w którym dost˛epne sa˛ 3 wyjścia kodera kwadraturowego (A, B, Index). Schemat połaczenia
˛
układu przedstawiono na rysunku 36.
Wyjścia A i B kodera łaczone
˛
sa˛ z kanałami TPU, na których działa funkcja FQD. Dioda LED
Rysunek 36:
sygnalizuje, czy położenie czujnika wzgl˛edem magnesu jest właściwe, zapewniajac
˛ tym samym
ważność odczytywanych danych. Układ AS5040 został zmontowany na osobnej płytce (rysunek 37). Mechaniczne sprz˛eżenie kodera z silnikiem przedstawiono na rysunku 38. W tabeli
5 zanajduje si˛e opisy wyprowadzeń kodera. Poszczególne wyjścia kodera i sygnały zasilania
łacz
˛ a˛ si˛e z płytka˛ elektroniki układu docelowego za pomoca˛ złacz
˛ Z5 i Z6 (rysunek 39)
33
Rysunek 37: Płytka kodera
Rysunek 38: Mocowanie kodera na wale silnika
34
Nr.
Sygnał
Opis
1
A
1 kanału kodera
2
B
2 wyjście koder
3 MagINCn+MagDeCn sygnalizacja
4
Vss
masa zasilania
5
Vdd
zasilanie +5V
Tablica 5: Opis wyprowadzeń kodera
Rysunek 39: Złacze
˛ Z6 i Z7
3.2.6
Interfejs użytkownik
Komunikacja z użytkownikiem realizowana jest za pomoca˛ trzech monostabilnych przycisków i wyświetlacza LCD, umieszczonych na płycie czołowej urzadzenia.
˛
Przyciski połaczone
˛
sa˛ z wejściami kanałów TPU. Stany przycisków skanowane sa˛ z zadana˛ cz˛estotliwościa˛ przez
odpowiednio skonfigurowana˛ funkcj˛e DIO [17].
Elementem wizualizacyjnym jest alfanumeryczny wyświetlacz LCD, wmożliwiajacy
˛ wyświetlanie w każdej z 2 linii do 16 znaków. Moduł wyświetlacza zawiera własny sterownik, który
realizuje wszystkie zadania zwiazane
˛
z umieszczaniem danych na matrycy. W skład modułu
sterujacego
˛
wyświetlaczem wchodzi kontroler, sterownik linii i kolumn samej matrycy graficznej, oraz pami˛eć RAM ekranu. Interfejs kontrolera przystosowany jest do bezpośredniej współpracy z szyna˛ mikrokontrolera MC68332. Połaczenie
˛
mi˛edzy sterownikiwm wyświetlacza a
mikrokontrolerem przedstawiono na rysunku 40.
Rysunek 40: Schemat połaczenia
˛
sterownika LCD
Opis wszystkich wyprowadzeń wyświetlacza zamieszczono w tabeli 6. Wewn˛etrzna orga35
Nr.
Sygnał
1
Vss
2
Vdd
3
V0
4
RS
5
R/W
6
E
7...14 D0...D7
Opis
masa zasilania
zasilanie +5V
kontrast
0:rozkaz, 1:znak
0:zapis, 1:odczyt
strob 1->0
szyna danych
Tablica 6:
nizacja pami˛eci w układzie MC68332 wymaga, aby urzadzenia
˛
8 - bitowe łaczyły
˛
si˛e z mikrokontrolerem za pomoca˛ górnej połówki magistrali. Wybór układu wyświetlacza zapewnia
sygnał CS9 wewn˛etrznego dekodera adresowego. Stan linii adresowej A0 decyduje czy dane
na magistrali maja˛ być traktowane jako rozkaz, czy jako kod zanku do wyświetlenia.
Wyświetlacz zamontowany jest płytce elektroniki układu docelowego, i łaczy
˛
si˛e z płytka˛
sterownika za pomoca˛ zacza
˛ Z3 (rysunek 41)
Rysunek 41: Złacze
˛ Z3
3.3
Zasilacz
Ze wzgl˛edu na parametry silnika, konieczne stało si˛e skonstruowanie zewn˛etrznego zasilacza o napi˛eciu wyjściowym 12V i minimalnej wydajności pradowej
˛
0.6A. Schemat ideowy
zasilacza przedstawiono na rysunku 42.
Na wejściu układu zastosowano transformator troidalny o napi˛eciu uzwojenia wtórnego 12V i
Rysunek 42: Schemat zasilacza +10V, 3A
pradzie
˛
obcia˛żenia 4.1A. Napi˛ecie wyjściowe transformatora prostowane jest w układzie mostka
B1, i dalej poprzez konensator 4700µF podawane na wejście stabilizatora LM350. Zadaniem kondensatora jest ograniczenie amplitudy napi˛ecia t˛etnień na wejściu stabilizatora. Układ
LM350 należy do grópy trójkońcówkowych stabilizatorów o dobieranej wartości napi˛ecia wyjściowego. Zamiast wyprowadzenia masy posiada on wyjście regulacji napi˛ecia, którego potencjał w czasie normalnej pracy stabilizatora, jest zawsze o 1,25V niższy od potencjału końcówki
36
wyjściowej stabilizatora. Układ wymusza na rezystorze R2 napi˛ecie o wartości 1,25V, ustalajac
˛
tym samym prad,
˛ który przez niego płynie. Ponieważ przez wyprowadzenie regulacji napi˛ecia
płynie prad
˛ o bardzo małej wartości, napi˛ecie wyjściowe stabilizatora wyznacza si˛e z zależności:
Ra + P1
Uwy = 1, 25(1 +
)
(23)
R2
Potencjometr P1 pozwala na płynna˛ regulacje napi˛ecia wyjściowego w zakresie 4V . Odpowiednio wysoka wartość pojemności kondensatora na wyjściu stabilizatora zapewnia cz˛estotliwościowa˛ kompensacj˛e p˛etli sprz˛eżenia zwrotnego stabilizatora. Dodatkowy kondensator o
pojemności 10µF mi˛edzy końcówka˛ służac
˛ a˛ do ustalania napi˛ecia wyjściowego a masa˛ układu,
zwi˛eksza tłumienie t˛etnień i zakłóceń impulsowych. Dioda D1 służy do razładowywania kondensatora C2. Diode D2 chroni stabilizator przed uszkodzeniem w przypadku zwarcia jego
zacisków wejściowych.
37
4
Oprogramowanie sterownika
Ponieważ cały ci˛eżar sterowania silnikiem, jak też zbieranie niektórych danych pomiarowych spoczywa bezpośrednio na procesorze czasowym TPU, który jest jednostka˛ autonomiczna,˛ działajac
˛ a˛ niezależnie od CPU wykonujac
˛ a˛ własny program (zwany mikrokodem), opis
oprogramowania podzielono na dwie cz˛eści. Pierwsza z nich przedstawia zadania wykonywane
przez procesor główny, natomiast druga stanowi opis zagadnień zwiazanych
˛
z konfiguracja˛ i
działaniem funkcji jednostki TPU.
4.1
Struktura oprogramowania CPU
Uproszczony diagram przedstawiajacy
˛ działanie głównej p˛etli programu CPU pokazano na
rysunku 43.
Rysunek 43: Diagram działania głównej p˛etli programu
38
Po starcie programu w pierwszej kolejności nast˛epuje inicjalizacja zmiennych i konfiguracja urzadzeń
˛
zewn˛etrznych współpracujacych
˛
z mikrokontrolerem. Działanie p˛etli głównej
programu ograniczone jest do obsługi interfejsu użytkownika i wysyłania sygnałów sterujacych
˛
do urzadzeń
˛
zewn˛etrznych. W skład interfejsu użytkownika wchodzi wielopoziomowe menu,
które pozwala na wybór trybu pracy i ustawienie wielu parametrów zwiazanych
˛
z praca˛ silnika
m.i. takich jak:
• nastawa współczynnika wypełnienia PWM (przy wyłaczonym
˛
regulatorze)
• nastawa pr˛edkości (regulator właczony)
˛
• nastawa kierunku ruchu
• nastawa parametrów regulatora
• wybór trybu komutacji
– z koderem
– z czujnikami Hall’a
– r˛eczna
• automatyczne zdejmowanie charakterystyk silnika
– charakterystyki dynamiczne
– charakterystyki elektromechaniczne
Wi˛ekszość parametrów to dane wejściowe funkcji TPU, które CPU przekazuje za pośrednictwem wspólnego obszaru pami˛eci RAM.
Pomiary, przetwarzanie danych pomiarowych i algorytm regulacji realizowane sa˛ w trzech
podprogramach obsługi przerwań, których źródłem sa:
˛
• kolejkowy interfejs szeregowy QSM
• funkcja FQM jednostki TPU
• układ przerwań cyklicznych PIT
4.1.1
Kolejkowy interfejs szeregowy QSM (Queued Serial Module)
Moduł QSM jest jednym z dodatkowych elementów na wyposarzeniu mikrokontrolera,
który umożliwia mu komunikacj˛e z urzadzeniami
˛
zewn˛etrznymi za pomoca˛ dwóch interfejsów
szeregowych[10]:
• asynchronicznego SCI
• kolejkowego, synchronicznego SPI
SCI
Transmisja synchroniczna wykorzystywana jest do komunikacji z komputerem nadrz˛ednym.
Konfiguracja interfejsu nast˛epuje po wywołaniu funkcji SciInit. Pr˛edkość transmisji ustawiona
jest na sztywno i wynosi 9600 bodów. Inne funkcje bezpośrednio zwiazane
˛
z modułem SCI to
SciStart i SCIPutText. Funkcja SciStart wlacza
˛
moduł sterownika SCI, natomiast SCIPutText
wysyła dane do bufora transmisji SCI.
39
SPI
Kolejkowy interfejs szeregowej transmisji synchronicznej SPI komunikuje si˛e ze wcześniej
wspomnianym przetwornikiem ADC MAX1270, który odpowiedzialny jest za próbkowanie
i przetworzenie ciagłych
˛
w czasie sygnałów pomiaru pradu
˛ silnika i napi˛ecia pradnicy.
˛
Mechanizm kolejkowy kontrolera podmodułu SPI pozwala na dokonanie całych serii pomiarów bez
interwencji i wykorzystania cennych zasobów CPU. Możliwe jest zaprogramowanie do 16 niezależnych transmisji. Dla każdej przewidziany jest własny rejestr sterujacy,
˛ rejestr danych przeznaczonych do wysłania i rejestr odbiorczy. Rejestr sterujacy
˛ zwi˛eksza funkcjonalność układu
umożliwiajac
˛ ustawienie dla każdego zadania indywidualnie niektórych parametrów transmisji. Do konfiguracji podmodułu SPI służy funkcja SpiInit. Ustala ona m.in. pr˛edkość transmisji
(4Mhz) i szerokość ramki danych (16-bitów). Wykorzystanie pełnej kolejki, czyli 16 transmisji
do obsługi 2 kanałów pomiarowych przetwornika pozwala uzyskać duża˛ cz˛estotliwość próbkowania mierzonego sygnału. Schemat działania cyklu pomiarowego SPI przedstawiono na
rysunku 44.
Rysunek 44: Cykl pomiarowy kolejki SPI
W celu zainicjowania pomiaru na określonym kanale należy wysłać do przetwornika ramke
sterujac
˛ a˛ o strukturze jak na rysunku 45. Do wyboru kanału, z którego przetwornik pobiera
40
Rysunek 45: Bajt sterujacy
˛ dla MAX1270
próbk˛e sygnału do przetworzenia służa˛ bity SEL2, SEL1 i SEL0 [11]. Bit RNG ustawla zakres
pomiarowy przetwornika, natomiast pozycja BIP pozwala na pomiar napi˛eć ujemnych. Podczas
każdej transmisji nast˛epuje inicjacja pomiaru na jednym kanale i jednoczesny odczyt pomiaru
z kanału drugiego. Po wykonaniu pełnej kolejki sterownik SPI zgłasza przerwanie do CPU i
rozpoczyna kolejna˛ steri˛e 16 pomiarów. W programie obsługi przerwania nast˛epuje cyfrowa
filtracja zebranych pomiarów. Filtracji dokonuje funkcja Mediana, która sortuje wyniki pomiaru, a nast˛epnie odrzuca wartości skrajne (najwi˛eksza˛ i najmniejsza).
˛ Końcowym wynikiem
przetwarzania jest średnia arytmetyczna z pozostałych nieodrzuconych pomiarów.
4.1.2
Regulator pr˛edkości
Podczas gdy komutacja zapewnia właściwy obrót wirnika silnika BLDC, jego pr˛edkość
zależy wyłacznie
˛
od amplitudy napi˛ecia zasilania. Do modulacji wartości skutecznej tego napi˛ecia wykorzystuje si˛e technike PWM. W celu uzyskania zadanej pr˛edkości obrotowej silnika
skonstruowano regulator, którego struktur˛e przedstawiono na rysunku 46.
Rysunek 46: Struktura układu regulatora pr˛edkości
Zastosowany regulator działa w oparciu o algorytm PD, który wyraża si˛e nast˛epujacym
˛
równaniem [4]:
u(t) = k p e(t) + kd
de(t)
dt
(24)
Zaimplementowanie algorytmu w sterowniku wymaga przekształcenia go do postaci dyskretnej:
u(k) = u p (k) + ud (k)
(25)
u p = k p e(k)
(26)
ud =
kd
(e(k) − e(k − 1))
T
gdzie:
41
(27)
u(k) - sygnał wyjściowy regulatora
u p (k) - sygnał wyjściowy cz˛eści proporcjonalnej
ud (k) - sygnał wyjściowy cz˛eści różniczkowej
e(k) - bład
˛ w kroku k
e(k − 1) - bład
˛ w kroku k-1
T - czas próbkowania
k p - wzmocnienie cz˛eści proporcjonalnej
kd - wzmocnienie cz˛eści różniczkowej
Algorytm PD w oparciu o uchyb regulacji wytwarza sygnał sterujacy,
˛ wyrażony czasem wypełnienia, który jest parametrem wejściowym funkcji PWM układu TPU[13]. Za wykonanie
algorytmu regulacji odpowiedzialna jest funkcja Regulat działajaca
˛ na strukturze pd_reg, która
zawiera wszystkie wcześniej wymienione parametry regulatora. Górna wartość sygnału zwracanego przez regulator u(k) jest ograniczona parametrem PWMPER funkcji PWM[13]. Użycie
regulatora jest opcjionalne i zależy od stanu zmiennej reg_on.
4.2
Oprogramowanie TPU (Time Processor Unit)
Wielka˛ zaleta˛ mikrokontrolera MC68332 jest obecność układu TPU. Jest to zarazem główny
powód, dla którego mikrokontroler ten znakomicie nadaje si˛e do sterowania różnego rodzaju
silnikami. Celem wprowadzenia układu TPU było odcia˛żenie procesora CPU od realizacji
skomplikowanych zadań czasowo-licznikowych z jakimi też bez watpienia
˛
wia˛że si˛e komutacja
szybkimi sinikami BLDC. TPU umożliwia obsług˛e wielu różnych funkcji czasowych na 16 niezależnych kanałach. Zasoby sprz˛etowe układu zapewniaja˛ duża˛ szybkość wykonywania wielu
zadań jednocześnie. TPU udost˛epnia tryb emulacji w którym pami˛eć ROM mikrokodu zostaje
zastapiona
˛
pami˛ecia˛ TPURAM. Rozwiazanie
˛
takie stwarza możliwość pisania i uruchamiania
własnych zestawów funkcji TPU.
4.2.1
Konfiguracja TPU
Przed uruchomieniem TPU należy układ skonfigurować [5]. Do najważniejszych ustawień
zalicza si˛e:
– cz˛estotliwość pracy zegara TCR1
– cz˛estotliwość pracy zegara TCR2
– tryb pracy (układ pracuje w trybie emulacji)
W celu zapewnienia dużej niezawodności i minimalnych opóżnień obsługi zdarzeń działajacych
˛
funkcji TPU, przed przystapieniem
˛
do ich konfiguracji należy uważnie rozważyć dobór kanałów i priorytetów. Mechanizm kolejkowania zadań TPU zapewnia odpowiedni przydział czasu procesora dla funkcji o danym priorytecie. Ogólny schemat według którego TPU
podejmuje decyzj˛e o wykonaniu zadań w zależności od priorytetu przedstawiono na rysunku
47. Schemat obsługi zdarzen TPU gwarantuje, że funkcje o priorytecie najwyższym (H) b˛eda˛
czterokrotnie cz˛eściej wykonywane niż funkcje o priorytecie najniższym (L), i dwukrotnie cz˛eściej niż funkcje ze średnim priorytetem (M). W tabeli 7 przedstawiono zestaw wykorzystanych
42
Rysunek 47: Schemat obsługi zdarzeń przez TPU
Nr kanału
Funkcja
Priorytet
13
COMM MASTER
H
14
COMM 1
15
COMM 2
0
COMM 3
1
COMM 4
2
COMM 5
3
HALLD A
H
4
HALLD B
5
HALLD C
6
PWM
M
7
FQD A
H
8
FQD B
H
10
FQM
H
9
DIO
L
11
DIO
L
12
DIO
L
Tablica 7: Spis wykorzystanych funkcji z przydziałem kanałów i priorytetów obsługi (złacze
˛ Z2)
funkcji TPU wraz z przydzielonymi im kanałami i priorytetami obsługi.
W tak skonstruowanym systemie (tabela 7) krytyczna˛ sprawa˛ jest obsługa funkcji zwiaza˛
nych z komutacja˛ silnika. Każde opóżnienie może wiazać
˛
si˛e z pogorszeniem jakości ruchu
silnika, jakościa˛ wytwarzanego momentu, może doprowadzić do rozsynchronizowania komutacji, a nawet do zatrzymania ruchu wirnika. Z tego wzgl˛edu wszystkim funkcjom bioracym
˛
bezpośredni udział w generowaniu sygnałów komutacji został przydzielony arbitralnie priorytet
najwyższy. Jednak nawet najwyższy priorytet nie zawsze zapewnia obsług˛e wszystkich zadań w
wymaganym czasie. Dlatego konieczna jest analiza najgorszego przypadku (WCL-Worst Case
Latency) , która pozwala określić maksymalne dopuszczalne opóźnienia zdarzeń krytycznych.
Dzi˛eki temu uzyskujemy informacje o warunkach w których komutacja silnikiem może przebiegać bezawaryjnie. Dla funkcji niezwiazanych
˛
z komutacja˛ silnika analiza taka była zb˛edna
ze wzgl˛edu na charakter wykonywanych przez nie zadań.
4.2.2
Funkcja COMM
COMM [19] jest główna˛ funkcja˛ wykorzystywana˛ w procesie sterowania silnikiem BLDC.
Jej podstawowym zadaniem jest generowanie sygnałów komutacji. Funkcja jest bardzo elastyczna i może być wykorzystana do sterowania silnikami zarówno trój jak i czterofazowymi.
Działanie funkcji obejmuje dwa tryby:
• czujnikowy (Sensored Mode)
• bezczujnikowy (Sensorless Mode)
43
Tryb pracy określa źródło, z którego funkcja COMM czerpie inforamcje o aktualnym położeniu wirnika. Dla trybu bezczujnikowego źródłem tym jest funkcja FQD [14], która zlicza
impulsy z kodera umieszczonego na wale silnika. W trybie czujnikowym sygnały sprz˛eżenia
zwrotnego przekazywane sa˛ za pośrednictwem funkcji HALLD [16] dekodujacej
˛ stany wyjść z
czujników Hall’a. Inicjalizacja funkcji COMM nast˛epuje po wywołaniu procedury InitComm,
której parametrem wejściowym jest zmienna określajaca
˛ tryb jej pracy. Poniżej zestawiono i
opisano wszystkie parametry funkcji COMM odpowiedzialne za jej działanie:
• COUNTER_ADDR - parametr ten przechowuje adres pod którym znajduje si˛e licznik
pozycji funkcji FQD (wykorzystywany tylko przez tryb bezczujnikowy).
• NO_OF_PINS - określa liczb˛e kanałów wykorzystywanych do wytwarzania sygnałów
komutacji.
• STATE_NO - zmienna przechowuje numer pozycji w tablicy komutacji, odzwierciedlajacy
˛ bieżacy
˛ stan komutacji. W trybie sensorycznym zawartość rejestru nadpisywana jest
przez funkcj˛e HALLD.
• OFFSET - parametr, który pozwala na regulacj˛e kata
˛ mi˛edzy wektorem pola stojana i
wirnika. OFFSET używany jest m.in. do wytworzenia momentu startowego, kompensacji
opóźnień, hamowania silnika i określenia kierunku ruchu. (tylko sensorless mode)
• UPDATE_PERIOD - służy do określenia cz˛estotliwości z jaka˛ funkcja COMM dokonuje
porównania mi˛edzy suma˛ licznika pozycji FQD i parametru OFFSET z parametrami UPPER i LOWER.
• UPPER i LOWER - zawieraja˛ górna˛ i dolna˛ wartość pozycji licznika po przekroczeniu
której powinna nastapić
˛ komutacja. Z chwila˛ gdy suma licznika pozycji FQD i parametru OFFSET przekroczy wartość przechowywana˛ w rejestrze UPPER nastapi
˛ zwi˛ekszenie
zawartości zmiennej STATE NO o jeden. Spowoduje to jednocześnie zmian˛e stanów wyjściowych kanałów funkcji COMM zgodnie z nowa˛ pozycja˛ STAT_NO w tablicy komutacji. Zawartość rejestru UPPER zostaje zaktualizowana w sposób zapewniajacy
˛ właściwe
sterowanie silnikiem. Analogiczna sytuacja jest ze zminna˛ LOWER, z tym że zawartość
STAT_NO jest dekrementowana w każdym kolejnym etapie komutacji.
• NO_OF_STATES - ośmiobitowy parametr, który określa liczb˛e stanów wyjściowych generowanych przez funkcje. Liczba możliwych stanów jest ograniczona i zależy od obszaru pami˛eci RAM zajmowanego przez kolejne kanały funkcji COMM, nie liczac
˛ kanału
COMM MASTER.
Ustawienia najważniejszych parametrów funkcji COMM dla trybu bezczujnikowego:
NO OF PINS=6,
NO OF STATES=18,
UPDATE PERIOD=2,
UPPER=9,
LOWER=-9,
OFFSET=64 (dla ruchu silnika w prawo)
Poniżej pokazano sposób konstruowania tablicy komutacji (również dla trybu sensorless).
Struktur˛e pojedynczego stanu w tablicy komutacji przedstawiono na rysunku 48.
gdzie:
44
Rysunek 48: Struktura stanu w tablicy komutacji
E1, E2, E3 - sygnały uaktywnijace
˛ poszczególne półmostki stopnia mocy.
IN1, IN2, IN3 - pozycje ustalajace
˛ biegun napi˛ecia zasilania faz silnika
Długość stanu - zawiera liczb˛e impulsów po zliczeniu których powinna˛ nastapić
˛ przejście do
kolejnego etapu komutacji. Długość stanu wyznaczono z zależności:
Długość stanu =
Nk
1024
=
= 28.4
Nsk ∗ N p
6∗6
(28)
gdzie:
Nk - rozdzielczość kodera AS5040.
Nsk - liczba sekwencji komutacji przypadajaca
˛ na jeden obrót pola magnetycznrgo stojana
N p - liczba obrotów pola magnetycznego stojana przypadajaca
˛ na jeden obrót mechaniczny
wirnika.
Podczas wypełniania tablicy komutacji wykorzystano dane zdobyte podczas identyfikacji silnika (podrozdział 3.2.1). Po uwzgl˛ednienu wyniku równania 28 i wykorzystaniu danych z tabeli
2 (str. 26) wpis w tablicy komutacji przedstawia si˛e nast˛epujaco:
˛
Nr stanu Długość stanu Konfiguracja wyjść kanałów
0
28
011111
1
29
010111
2
28
110111
3
29
110101
4
28
111101
5
29
011101
6
28
01111
7
29
01011
8
28
110111
9
29
11010
10
28
11110
11
29
01110
12
28
01111
13
29
01011
14
28
110111
15
29
11010
16
28
11110
17
28
01110
Tablica 8: Tablica komutacji dla trybu bezczujnikowego
45
Konfiguracja funkcji COMM dla trybu pracy z wykorzystaniem czujników Hall’a jest znacznie prostsza. Wynika to z odmiennego charakteru sygnału sprz˛eżenia zwrotnego dostarczanego
przez inna˛ funkcje wejściowa.˛ Podczas, gdy dla trybu sensorless obliczenie numeru stanu w
tablicy komutacji (STATE_NO) spoczywało na samej funkcji COMM, to w przypadku drugiego
trybu parametr ten jest gotowym produktem wyjściowym funkcji HALLD [8]. Dla funkcji
COMM ustawiamy tylko NO OF PINS=6. Tablic˛e komutacji dla trybu czujnikowego Hall,a
przedstawiono na rysunku 9.
Nr stanu Konfiguracja wyjść kanałów
0
000000
1
000000
2
011111
3
111101
4
110111
5
011111
6
010111
7
011101
8
111101
9
110111
10
011101
11
110101
12
110101
13
010111
14
000000
15
000000
Tablica 9: Tablicy komutacji dla trybu z wykorzystaniem funkcji HALLD
4.2.3
Funkcja HALLD
Funkcja HALLD [16] jest przeznaczona do współpracy z funkcja˛ COMM. Została stworzona, żeby umożliwić funkcji COMM sterowanie silnikami wyposażonymi w czujniki Hall’a.
Wykorzystuje dwa lub trzy kanały wejściowe do dekodowania stanów wyjściowych tych czujników. Podstawowe parametry funkcji to:
• DIRECTION - ustawia kierunek ruchu silnika
• PINSTATE - reprezentuje bieżacy
˛ stan na wejściu kanału
• STATE_NO_ADDRE - zawiera adres, pod którym funkcja umieszcza wynik swojego
działania, czyli numer stanu reprezentujacy
˛ odpowiednia˛ pozycj˛e w tablicy komutacji
(należy wpisać adres, pod którym umieszczona jest zmienna STATE_NO funkcji COMM).
Współpraca funkcji HALLD z COMM
Z chwila,˛ gdy nastapi
˛ zmiana stanu na jednym z kanałów wejściowych, funkcja HALLD (według wzorca z tabeli 10) generuje nowy stan wyjściowy i umieszcza go w parametrze STATE_NO
funkcji COMM. Po umieszczeniu danej reprezentujacej
˛ nowa˛ pozycj˛e w tablicy komutacji,
HALLD powiadamia COMM o nowej wartości w rejestrze STATE_NO, w wyniku której pominna nastapić
˛ zmiana stanu na wyjściach kanałów funkcji COMM.
46
Kanał HALLD A Kanał HALLD B Kanał HALLD C DIRECTION STATE_NO
0
0
0
0
0
0
0
1
0
2
0
1
0
0
4
0
1
1
0
6
1
0
0
0
8
1
0
1
0
10
1
1
0
0
12
1
1
1
0
14
0
0
0
1
1
0
0
1
1
3
0
1
0
1
5
0
1
1
1
7
1
0
0
1
9
1
0
1
1
11
1
1
0
1
13
1
1
1
1
15
Tablica 10: Sposób dekodowania stanu wyjść czujników Hall’a przez funkcje HALLD
4.2.4
Funkcja FQD
FQD [14] dostarcza funkcji COMM sygnałów sprz˛eżenia zwrotnego od położenia wirnika w
postanci wartości licznika pozycji. Wykorzystuje dwa kanały, do których podłaczono
˛
wyjścia
kodera kwadraturowego AS5040. Wartość licznika pozycji odzwierciedla położenie wirnika
wzgl˛edem stojana. Licznik jest inkrementowany badź
˛ dekrementowany w zależności przesuni˛ecia fazowego mi˛edzy sygnałami na wejściach kanałów A i B. FQD może pracować w dwóch
trybach:
• normalnym (normal mode)
• szybkim (fast mode)
W trybie normalnym rejestr licznika pozycji ulega zwi˛ekszeniu, lub zmniejszeniu przy
zmianie stanu któregokolwiek z 2 sygnałów wyjściowych kodera. Tryb ten w przeciwieństwie
do trybu szybkiego, zapewnia wykorzystanie pełnej rozdzielczości kodera. W trybie szybkim
kanł B jest niewykorzystywany, a zmiana licznika pozycji nast˛epuje tylko przy zboczu narastajacym
˛
sygnału na wejściu kanału pierwotnego. W ten sposób maksymalne dopuszczalene
opóźnienie obsługi zdarzeń funkcji FQD zwi˛eksza si˛e czterokrotnie, gwarantujac
˛ jednocześnie
prawidłowa˛ aktualizacje licznika pozycji przy znacznie wi˛ekszych cz˛estotliwościach zmian sygnału wejściowego. Do inicjalizacji FQD służy procedura FqdInit, która odpowiada za ustawienia niżej przedstawionych pól konfiguracyjnych w pami˛eci RAM obu kanałów:
• POSITION_COUNT - inicjalizacja licznika pozycji (tylko kanał pierwotny)
• CORR_PINSTATE_ADDR - adres parametru CHAN_PINSTATE drugiego kanału FQD.
• EDGE_TIME_ADDR - pole powinno wskazywać parametr EDGE_TIME rezydujacego
˛
w obszarze RAM kanału pierwotnego.
Zmiana trybu pracy funkcji FQD nast˛epuje po wywołaniu procedury FqdMode. Przełacze˛
nie trybu może nastapić
˛ w dowolnym momencie, jednak funkcja FQD powinna zawsze rozpoczynać działanie w trybie normalnym (normal mode). W programie sterownika przełaczenie
˛
47
trybu jest warunkowe i nast˛epuje po przekroczeniu ustalonych pr˛edkości obrotowych silnika.
Progi przełaczenia
˛
trybu zostały dobrane w wyniku eksperymentu. Jego wynik pozwolił ustalić maksymalna˛ pr˛edkość silnika, przy której TPU zapewnia poprawne zliczenie wszystkich
zboczy impulsów na obu obu wejściach kanałów.
Na rysunku 49 przedstawiono skutki przekroczenia dozwolonych pr˛edkości, przy komutacji
silnika z wykorzystaniem funkcji FQD pracujacej
˛ w trybie normalnym. Przy wysokich pr˛edkościach silnika funkcja FQD nie jest w stanie policzyć wszystkich zboczy szybkozmiennego
sygnału z obu wyjść kodera kwadraturowego, wskutek czego nast˛epuje przekłamanie zawartości licznika pozycji. Wpływa to bezpośrednio na kat
˛ mi˛edzy wektorami pola stojana i wirnika
i objawia si˛ezmiana˛ pr˛edkości obrotowej silnika. Zmiana kata
˛ b˛edzie nast˛epowała tak długo,
aż silnik zwolni do pr˛edkości przy której nastapi
˛ prawidłowe zliczanie wszystkich zboczy impulsów z obu wyjścia kodera. Na rysunku 49 widać, że próg przy którym powinno nastapić
˛
przeaczenie
˛
funkcji FQD z trybu normalnego na szybki i na odwrót mieści si˛e w okolicach
4200rpm.
Rysunek 49: Charakterystyka pr˛edkości silnika dla komutacji z kodera kwadraturowego po przekłamaniu licznika
pozycji funkcji FQD
4.2.5
Funkcja PWM
PWM jest funkcja˛ wyjściowa˛ wykorzystana˛ do modulacji wartości skutecznej napi˛ecia zasilajacego
˛
silnik. Wyjście kanału funkcji PWM łaczy
˛
si˛e z wejściem (PWM) logiki sterujacej
˛
stopnia mocy (rysunek 33). Pożadan
˛ a˛ wartość napi˛ecia zasilania uzyskujemy poprzez regulacj˛e wypełnienia przebiegu prostokatnego
˛
o stałym okresie. Inicjalizacja funkcji nast˛epuje po
wywołaniu procedury PwmInit. Poniżej przedstawiono główne parametry definiujace
˛ działanie
funkcji:
• PWMHI - ustawia wypełnienie sygnału
• PWMPER - odpowiada za ustawienie okresu impulsu
Wartość skuteczna˛ napi˛ecia zasilajacego
˛
fazy silnika Usk wyznacza zależność:
48
Usk =
PW MHI
Uz
PW MPER
(29)
gdzie:
Uz - nap˛ecie zasilajace
˛ stopi˛eń mocy
4.2.6
Funkcja FQM
Działanie funkcji FQM (Frequency Measurement) polega na zliczaniu impulsów wejściowych w zadanym przedziale czasu. Jej głównym przeznaczeniem jest pomiar cz˛estotliwości.
Funkcja może pracować w dwóch trybach, z których jeden obejmuje wykonanie pojedynczego
pomiaru, a drugi zapewnia ciagłość
˛
ich wykonywania. Wywołanie procedury FqmInit zapewnia
funkcji inicjalizacj˛e nast˛epujacych
˛
parametrów:
• CHANNEL_CONTROL - rejestr sterujacy
˛ kanał zawierajacy
˛ pola TBS, PAC i PSC. TBS
służy do wyboru zegara podstawy czasu dla kanału, natomiast PAC określa rodzaj wykrywanego zbocza. Pole PSC jest niewykorzystywane.
• WINDOW_SIZE - wartość w tym rejestrze ustala okres pomiarowy.
Funkcja została skonfigurowana do pracy w trybie ciagłym.
˛
Jest wykorzystana do pomiaru
pr˛edkości obrotowej silnika. Sygnał pomiary pr˛edkości pobierany jest z drugiego wyjścia kodera kwadraturowego (kanał B). Po wykonaniu pojedynczego pomiaru FQM zgłasza przerwanie do CPU. W programie obsługi przerwania w oparciu o dane pomiarowe funkcji FQM nast˛epuje wyliczenie pr˛edkości obrotowej silnika.
49
5
Obsługa i możliwości stanowiska
Jak wspomniano w rozdziale (3.2.6) komunikacja z użytkownikiem realizowana jest za pomoca˛ przycisków i wyświetlacza LCD umieszczonych na płycie czołowej układu docelowego.
W skład interfejsu wchodza˛ również diody sygnalizacyjne, mikroprzełaczniki
˛
i mechanizm regulacji siły docisku (rysunek 50).
Rysunek 50: Widok płyty czołowej stanowiska
Na płycie czołowej urzadzenia
˛
wyróżnić można nast˛epujace
˛ elementy:
1 - wyświetlacz LCD.
2 - pradnica
˛
.
3 - diody sygnalizujace
˛ stany wyjściowe czujników Hall’a.
4 - silnik BLDC.
5 - diody sygnalizujace
˛ polaryzacje faz silnika.
6 - dioda sygnalizujaca
˛ właściwe umieszczenie czujnika AS5040 wzgl˛edem magnesu
7 - mechaniczny układ regulacji siły docisku
8 - mikroprzełacznik
˛
do wyboru rezystancji obcia˛żenia pradnicy
˛
9 - układ trzech przycisków służacych
˛
do przemieszczania si˛e po menu, wykonywania nastaw,
inicjacji pomiarów itd.
50
Ze wzgl˛edu na duża˛ liczb˛e dost˛epnych funkcji stanowiska konieczne stało si˛e skonstruowanie wielopoziomowego menu i przydzielenie każdemu z przycisków kilku znaczeń. Menu
zostało zaprojektowane w sposób zapewniajacy
˛ łatwa˛ i wygodna˛ obsług˛e stanowiska. Jego
struktur˛e przedstawiono na rysunku 51.
Rysunek 51: Konstrukcja menu użytkownika
51
Najwyższy poziom menu składa si˛e z pozycji, które reprezentuja˛ cztery główne tryby pracy
stanowiska:
• Komut.HALLD - komutacja silnika nast˛epuje w oparciu o sygnały sprz˛eżenia zwrotnego
z czujników Hall’a. Użytkownik mam możliwoć regulacji takich parametrów jak:
– Set kier. - ustawia kierunek ruchu silnika
– Set pwm - moduluje wartość skuteczna˛ napi˛ecia zasilajacego
˛
silnik poprzez regulacj˛e wypełnienia przebiegu prostokatnego.
˛
Przy zmianie tego parametru silnik pracuj˛e bez regulatora pr˛edkości (jeżeli wcześniej regulator był właczony
˛
to z chwila˛
pierwszej zmiany parametru PWM nast˛epuje jego automatyczne wyłaczenie).
˛
– Set rpm - służy do nastawy pożadanej
˛
wartości pr˛edkości silnika. Silnik pracuje pod
kontrola˛ regulatora pr˛edkości PD.
• Komut.AS5040 - w trybie tym silnik sterowany jest z wykorzystaniem sygnałów z kodera kwadraturowego AS5040. W tym przypadku istnieje możliwość regulacji takich
samych parametrów jak to miało miejsce w ostatnio omawianym punkcie. Dodatkowym
parametrem regulacji jest:
– Set offset - pozwala na regulacj˛e kata
˛ mi˛edzy wektorami pola stojana i wirnika.
Dla obu wymienionych wyżej trybów pracy w czasie regulacji dost˛epnych parametrów
istnieje możliwość obserwacji napi˛ecia generowanego na wyjściu prodnicy tachometrycznej, pradu
˛ silnika i jego pr˛edkości obrotowej.
• Komut.Reczna - pozwala prześledzić w trybie krokowym kolejne etapy komutacji silnika. Użytkownik zmienia polaryzacj˛e faz silnika poprzez r˛eczna˛ zmian˛e parametru
STATE_NO, która reprezentuje stan w tablicy komutacji. Zespół diod na panelu stanowiska daje możliwość zaobserwowania polaryzacji faz silnika, jak też stanu wyjść czujników Hall’a w różnych fazach komutacji.
• Charakterystyki - podmenu zostało stworzone w celu przeprowadzenia automatycznych
pomiarów wybranych charakterystyk. Zawiera pola ustawiajace
˛ warunki pomiarowe, jak
też pozycj˛e wyboru pożadanej
˛
charakterystyki:
– Set Kp - pole nastawy wzmocnienia cz˛eści proporcionalnej regulatora
– Set Kd - nastawa wzmocnienia cz˛eści różniczkujacej
˛ regulatora
– Set pwm - nastawia˛ wartość napi˛ecia zasilania silnika w chwili jego startu przy sterowaniu w p˛etli otwartej
– Set speed - zadaje wartość pr˛edkości silnika przy sterowaniu z wykorzystaniem regulatora pr˛edkości PD.
– Set offset - ustawia kat
˛ mi˛edzy wektorem pola stojana i wirnika w chwili startu
silnika dla komutacji z wykorzystaniem kodera kwadraurowego.
– Nr charakterystyki - umożliwia wybór mierzonej charakterystyki. Stanowisko umożliwia pomiar do siedmiu różnych charakterystyk. Ich opis znajduje si˛e poniżej.
52
Opis dost˛epnych charakterystyk
CH0 (SPEED - U p ) - charakterystyka pradnicy
˛
tachometrycznej. Pomiar dokonywany jest przy
komutacji silnika z wykorzystaniem czujników Hall’a i rozpoczyna si˛e od maksymalnej
pr˛edkości, zgodnie z wartościa˛ na pozycji Set speed.
CH1 (PWM -SPEED) - mierzy zależność napi˛ecia zasilania (wypełnienia sygnału sterujacego)
˛
silnika od pr˛edkości.
CH2 (T - SPEED) - bada odpowiedź silnika na wymuszenie skokiem napi˛ecia o wartości
określonej parametrem Set pwm (regulator pr˛edkości wyłaczony).
˛
CH3 (SPEDD - I) - umożliwia pomiar pradu
˛ silnika w funkcji p˛edkości w warunkach rozruchowych i przy zmianie obcia˛żenia.
CH4 (T - SPEED) - bada własności dynamiczne silnika przy sterowaniu z wykorzystaniem
czujników Hall’a i przy właczonym
˛
regulatorze pr˛edkości PD. Przed pomiarem charakterystyki należy ustawić wzmocnienia Kd i K p regulatora, zadać pr˛edkość silnika poprzez
ustawienie parametru w polu Set speed, oraz dobrać obcia˛żenie silnika (za pomoca˛ mikroprzełaczników,
˛
badź
˛ mechanicznego układu dociskowego).
CH5 (OFFSET - SPEED) - bada wpływ parametru Offset na pr˛edkość silnika (komutacja z
kodera). Przed wykonaniem pomiaru należy ustawić parametr Set pwm. Przeprowadzenie
serii pomiarów dla różnych wartości tego parametru pozwala ustalić optymalne wartości
OFFSET dla różnych pr˛edkości obrotowych silnika.
CH6 (SPEED - T) - Bada odpowiedź silnika na wymuszenie skokiem napi˛ecia o wartści określonej przez paramter Set pwm. Przed wykonaniem pomiaru należy ustalić warunki poczatkowe
˛
poprzez ustawienie parametrów Set pwm i Offset.
53
6
Eksperymenty
W rozdziale tym przedstawiono próbk˛e możliwości skonstruowanego urzadzenia.
˛
Skupiono
si˛e na przeprowadzeniu tylko kilku doświadczeń, które pozwoliły scharakteryzować podstawowe własności badanego nap˛edu. Wykonano m.in. eksperymenty testujace
˛ dynamik˛e silnika
dla różnych wymuszeń i momentów obcia˛żenia. Pomiarów dokonano zarówno w p˛etli otwartej,
jak też z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora pr˛edkości PD.
Przy sterowaniu pr˛edkościa˛ silnika w otwartym układzie regulacji podstawowa˛ sprawa˛ jest
znajomość charakterystyki, która określa zależność mi˛edzy pr˛edkościa˛ obrotowa˛ silnika a napi˛eciem przyłożonym do jego zacisków. W celu sprawdzenia własności zastosowanego silnika
BLDC przy takim sterowaniu, eksperymenty zacz˛eto od zbadania tego typu charakterystyki.
Rysunek 52: Zależność pr˛edkości silnika od wypełnienia sygnału sterujacego
˛
napi˛eciem zasilania
Pomiary przeprowadzono dla trzech różnych momentów obcia˛żenia. Na każdym z trzech
przedstawionych na rysunku 52 wykresów można wyróżnić dwa charakterystyczne odcinki (ok.
5000rpm i 2500rpm) w których pr˛edkość pozostaje stała mimo zmiany napi˛ecia zasilajacego
˛
silnik. Jest to spowodowane cz˛estotliwościa˛ przebiegu modulujacego
˛
napi˛ecie zasilania silnika,
która w pewnym momencie pokrywa si˛e z cz˛estotliwościa˛ komutacji. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy wi˛ekszych momentach obcia˛żenia, gdzie dopiero zmiana wypełnienia o
ok. 15% doprowadza do zmiany pr˛edkości obrotowej silnika. Zmiana pr˛edkości jest skokowa,
co uniemożliwia uzyskanie pr˛edkości pośrednich (np. miedzy 4000 a 5000rpm). Przypadłość ta
zatem eliminuje zastosowanie otwartego układu regulacji w sytuacji, gdy wymagana jest płynna
regulacja pr˛edkości silnika w pełnym możliwym zakresie jej zmian.
W kolejnym etapie badań zdj˛eto rodzin˛e charakterystyk silnika, które prezentuja˛ zarówno
jego właściwości dynamiczne jak też elektromechaniczne. Badano odpowiedź silnika na wymuszenie skokiem napi˛ecia o wartości programowanej parametrem PWM. Pomiary wykonano
dla różnych momentów obcia˛żenia. Ze wzgl˛edu na stosunkowo mały moment elektromechaniczny rozwijany przez silnik, dla napi˛eć zasilania poniżej 60%PWM pomiarów dokonano przy
biegu jałowym silnika (rysunek 55).
54
Rysunek 53: Charakterystyka silnika przy PWM=100%
Rysunek 54: Charakterystyka silnika przy wymuszeniu PWM=70%
Rysunek 55: Charakterystyka w otwartym układzie regulacji dla różnych wartości współczynnika PWM (bez
obcia˛żenia silnika)
55
Przed wykonaniem analogicznych charakterystyk w zamkn˛etym układzie regulacji pr˛edkości, przetestowano zachowanie regulatora dla różnych wartości współczynników wzmocnienia
K p i Kd . Testy przeprowadzono dla jednej zadanej pr˛edkości silnika (5680rpm) i bez jego obcia˛
żenia (rysunki od 56 do 62). Okazało si˛e, że najlepsze warunki regulacji zapewniaja˛ współczynniki wzmocnienia K p =10 i Kd =14. Przy wartościach K p >20 układ zachowywał si˛e niestabilnie
(wyst˛epowały przeregulowania) co w konsekwencji znacznie wydłużyło czas ustalania odpowiedzi.
Po wst˛epnej identyfikacji optymalnych nastaw regulatora zbadano charakterystyki dla różnych obcia˛żeń i zadanych pr˛edkości silnika (rysunki od 63 do 66). Pierwszy pomiar wykonano
dla takiej samej wartości zadanej pr˛edkości jak to miał miejsce podczas testowania parameterów
regulatora. Na rysunku 66 widać, że nastawy K p =10 i Kd =14 zapewniaja˛ bardzo podobny przebieg charakterystyki dynamicznej dla różnych obcia˛żeń silnika (z wyjatkiem
˛
sytuacji, gdy wartość momentu obcia˛żenia przekroczyła maksymalny moment rozwijany przez silnik dla zadanej
wartości pr˛edkości). Dla wi˛ekszych obcia˛żeń silnika ostrość charakterystyki uległa lekkiemu
spłaszczeniu. Sytuacj˛e mogłoby poprawić zwi˛ekszenie wzmocnienia cz˛eści proporcionalnej
regulatora. Dla mniejszych nastaw pr˛edkości, w celu zachowania równie dobrej dynamiki konieczne stało si˛e zwi˛ekszenie wzmocnienia K p .
Rysunek 56: Odpowiedź regulatora dla KP = 50
Rysunek 57: Odpowiedź regulatora dla KP = 30
56
Rysunek 58: Odpowiedź regulatora dla KP = 20
Rysunek 59: Odpowiedź regulator dla KP = 10
Rysunek 60: Odpowiedź regulator dla KP = 10
57
Rysunek 61: Odpowiedź regulator dla KP = 5
Rysunek 62: Odpowiedź regulator dla KP = 5
Rysunek 63: Pr˛edkość zadana Set speed = 5850, K p =10, Kd =14
58
Rysunek 64: Pr˛edkość zadana Set speed = 3516, K p =20, Kd =14
Rysunek 65: Pr˛edkość zadana Set speed = 2110, K p =20, Kd =14
Rysunek 66: Pr˛edkość zadana Set speed = 1055, K p =20, Kd =14
59
7
Podsumowanie
Wynikiem niniejszej pracy jest kompletne stanowisko badawczo - dydaktyczne dajace
˛ możliwość zapoznania si˛e z właściwościami i różnymi metodami sterowania bezkomutatorowych
silników pradu
˛ stałego BLDC. Główna˛ przesłanka˛ podczas tworzenia stanowiska była ch˛eć
umożliwienia jego użytkownikom łatwego przyswojenia wiedzy, jak też nabrania pewnej intuicji w zakresie tematów zwiazanych
˛
z komutacja˛ tego typu silnikami. Rozdzielenie modułu
sterownika od cz˛eści silnikowej zwi˛ekszyło uniwersalność całej konstrukcji, stwarzajac
˛ szans˛e
wykorzystania i sprawdzenia wielu różnych układów sterowników pod katem
˛
zastosowania ich
w aplikacjiach z tego typu silnikami.
Ponieważ jest to m.in. stanowisko badawcze konieczne stało si˛e zaimplementowanie mechanizmów pozwalajacych
˛
na tworzenie charakterystyk, które sa˛ podstawowym źródłem informacji o własnościach każdego silnika. Zawsze duża˛ zaleta˛ jest możliwość testowania charakterystyk obiektów rzeczywistych. Istnieja˛ co prawda inne metody badawcze w postaci modeli matematycznych i odpowiedniego oprogramowania, jednak wyniki ich działania sa˛ zwykle
wyidealizowane. Wia˛że si˛e to z trudnościa˛ zamodelowania wszystkich zjawisk fizycznych zachodzacych
˛
w rzeczywistym środowisku. Nienależy oczywiście zapominać o wielu dobrych
stronach takiego podejścia do problemów. W oparciu o model matematyczny silnika BLDC,
który został przedstawiony w rozdziale 2 stworzono pakiet do symulacj w środowisku Simulink.
Wyniki jego działania mogłyby być pewnym punktem odniesienia dla rzeczywistych pomiarów
przeprowadzonych z wykorzystaniem tego stanowiska.
Oprogramowanie sterownika umożliwia pomiar do siedmiu różnych charakterystyk dla dwóch
trybów komutacji. Podstawowa˛ zależnościa˛ decydujacym
˛
o możliwości wykorzystania silnika
do konkretnego zadania jest stosunek momentu rozwijanego przez silnik do jego pr˛edkości obrotowej. W celu umożliwienia zbadania tych zależności konieczne stało si˛e skonstruowanie
mechanizmu regulujacego
˛
moment obcia˛żenia silnika. Wykorzystano dwie metody obcia˛żenia
odzwierciedlajace
˛ dwa różne rodzaje tarć. Rol˛e obcia˛żenia dynamicznego, charakteryzujacego
˛
tarcie lepkie pełni pradnica
˛
tachometryczna, natomiast tarcie suche realizowane jest za pomoca˛
układu mechanicznego ze spr˛eżyna˛ dociskowa.˛ Bardzo ważna˛ cecha˛ silnika jest jego dynamika. Stanowisko stawarza również możliwość pomiaru tego typu charakterystyk zarówno w
p˛etli otwartej jak też z wykorzystaniem zaimplementowanego regulatora pr˛edkości PD. Przy
sterowaniu w p˛etli otwartej istnieje możliwość regulacji wymuszenia poprzez ustawienie wypełnienia przebiegu prostokatnego
˛
sterujacego
˛
napi˛eciem zasilania silnika. Przy korzystaniu z
regulatora należy zadbać o ustawienie wzmocnień K p i Kd i p˛edkości Set speed. Sposób zapisu wyników pomiarowych przez sterownik umożliwia łatwe i szybkie wykonanie wykresów
z wykorzystaniem np. programu Matlab.
Oprócz automatycznego zdejmowania charakterystyk możliwa jest r˛eczna zmiana wybranych parametrów sterowania dla określonego trybu komutacji. Zastosowanie wyświetlacza
LCD pozwala na bezpośrednia˛ obserwacj˛e pomiarów pradu
˛ silnika, napi˛ecia pradnicy,
˛
czy też
pr˛edkości obrotowej silnika. Zespół diod sygnalizacyjnych pozwala prześledzić sposób generowania sygnałów komutacji w zależności od sygnałów sprzeżenia zwrotnego od położenia
wirnika wzgl˛edem czujników Hall’a.
W ramach pracy przeprowadzono kilka pomiarów charakterystyk prezentujacych
˛
cz˛eść możliwości stanowiska. Załaczono
˛
również instrukcj˛e obsługi, która krok po kroku prowadzi użytkownika przez wszystkie czynności niezb˛edne do właściwego przeprowadzenia pomiaru wybranych charakterystyk.
W ramach propozycji kontynuacji prac należy wymienić zaimplementowanie ostatniego
trybu sterowania silnikiem, w którym sygnały komutacji generowane sa˛ na podstawie pomiaru
SEM indukowanych w nieobcia˛żonych uzwojeniach silnika. Może si˛e to jednak wiazać
˛
z koniecznościa˛ użycia innego silnika BLDC, niż ten który został wykorzystany w pracy. Konstruk60
cja tego silnika zapewnia prawidłowa˛ komutacj˛e z wykorzystanie czujników Hall’a i kodera,
jednak nie zmierzono charakterystyk przebiegów SEM, które gwarantowały by możliwość zastosowania bezczujnikowej techniki komutacji.
61
Dodatek A
Instrukcja obsługi stanowiska
Poniżej zaprezentowano przykładowa˛ procedur˛e post˛epowania przy pomiarze wybranej charakterystyki silnika z wykorzystaniem stanowiska. Do pomiaru charakterystyki niezb˛edny jest
dost˛ep do komputera PC, który umożliwi prezentacj˛e wyników pomiaru w odpowiedniej formie. Załóżmy, że chcemy zmierzyć charakterystyk˛e silnika dla trybu komutacji z czujnikami
Hall’a przy wykorzystaniu regulatora pr˛edkości PD. W tym celu należy przeprowadzić nast˛epujace
˛ czynności:
1. W menu głównym wybieramy pozycj˛e Charakterystyki (prawy przycisk)
2. W podmenu Charakterystyki znajdujemy pole Parametr K p (przycisk środkowy) i ustawiamy wartość wzmocnienia cz˛eści proporcionalnej regulatora (przycisk prawy lub lewy).
3. Podobnie dla cz˛eści różniczkujacej
˛ Kd regulatora (Parametr Kd ).
4. Na pozycji Set speed ustawiamy pożadan
˛ a˛ wartość pr˛edkości.
5. W kolejnym kroku zaleca si˛e dobór obcia˛żenia silnika. Dokonujemy tego za pomoca˛ mikroprzełaczników
˛
umieszczonych na płycie czołowej stanowiska (rysunek 50), badź
˛ hamulca
mechanicznego zamocowanego na wysi˛egniku obok pradnicy
˛
(rysunek 31).
6. Nast˛epnie przechodzimy do podmenu Nr Charakterystyki i wybieramy numer charakterystyki odpowiadajacy
˛ naszym wymaganiom.
7. Po wykonaniu powyższych czynności można zainicjować pomiar naciskajac
˛ najpierw przycisk środkowy i trzymajac
˛ go jednocześnie wcisnać
˛ przycisk lewy.
62
8. Przed wysłaniem wyników pomiaru do komputera PC należy uruchomić i skonfigurować
program Hyperterminal, czyli:
– ustawić właściwy numeru portu
– pr˛edkość transmisji (9600bodów)
– wybrać katalog do odbioru plików
9. Po wykonaniu ustawień można przeprowadzić transmisj˛e danych do komputera.
10. Ostatnim etapem jest wizualizacja wyników pomiarów. Do tego celu zaleca si˛e wykorzystanie programów Matlab albo Gnuplot, które w wygodny sposób pozwalaja˛ na prezentacj˛e i analiz˛e uzyskanych wyników pomiaru.
63
Dodatek B
Rysunek 67: Schemat ideowy stopnia mocy z logika˛ sterujac
˛ a˛
64
Literatura
[1] Dziadecki.A., Szklarsk.L., Strycharz.J., Jaracz.K.: Automatyka nap˛edu elektrycznego.
Kraków, WAGH 1996
[2] Dyson.A., Bannoura.M.: TPU Microcoding for Beginners. Austin, ATM 1999
[3] Czyż.W.: Rodzina M680xx. Gdańsk, ARTEX 1994
[4] Greblicki.W.:Teoretyczne podstawy automatyki. Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej 2001
[5] Hanselman.H.: Brushless Permanent Magnet Motor Design.
[6] Wnuk.M.: Moduł z procesorem MC68332.
[7] 3-phase BLDC Motor Control with Sensorless Back-EMF ADC Zero Crossing Detection
using 56F80x. @Freescale Semiconductor, Inc.
[8] 3-Phase BLDC Motor Control with Quadrature Encoder using 56F800/E. @Freescale
Semiconductor, Inc.
[9] AS5040 10 bit 360 Programmable Magnetic Rotary Encoder - Data Sheet. Austriamicrosystem.
[10] Brushless DC Motor Controla Made Easy. Microchip Technology Inc. - AN857.
[11] Brushless DC Motor Fundamentals. Microchip Technology Inc. - AN885.
[12] Brushless DC Motor Simulink Simulator - Usage Manual. Department of Electronics and
Communication Engineering, National Institute of Technology Karnataka.
[13] Discrete Input/Output TPU Function (DIO). @Motorola Inc - TPUPN18/D.
[14] Fast Quadrature Decode TPU Function (FQD). @Motorola Inc - TPUPN02/D.
[15] Frequency Measurement TPU Function (FQM). @Motorola Inc - TPUPN03/D.
[16] Hall Effect Decode TPU Function (HALLD). @Motorola Inc. - TPUPN10/D.
[17] MAX1270 - Data Sheet
[18] Motor Control Sensor Feedback Circuits. Microchip Technology Inc. - AN894.
[19] Multiphase Motor Commutation TPU Function (COMM). @Motorola Inc - TPUPN09/D.
[20] Time Processor Unit - Reference Manual. @Motorola Inc.
[21] Queued Serial Module - Reference Manual. @Motorola Inc.
65