基于MC56F84789的PMSM

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1、 Freescale Semiconductor Document Number: DRM152 设计参考手册 Rev. 0, 04/2014 基于基于MC56F84789 DSCMC56F84789 DSC单芯片同时控制一个单相单芯片同时控制一个单相 PFCPFC和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的 空调系统空调系统 1 概述概述 1.1 参考方案简介 本文档描述了基于单颗控制器芯片设计的两 个三相永磁同步电机无位置传感器矢量控制 驱动器和一个单相交错并联式功率因数校正 （PFC）变换器。本参考设计主要面向消费和 工业市场应用。 得益于飞思卡尔电机控制

2、专用 的数字信号控制器MC56F84789独一无二的 片内资源和特性， 本方案设计的先进空调系统 具有节约成本、 高能效、 低噪声和可变功率等 优点。 目录目录 1 概述概述 1 2 控制原理控制原理 10 3 系统概念系统概念 27 4 硬件设计硬件设计 32 5 软件设计软件设计 39 6 参考文献参考文献 63 Freescale Semiconductor, Inc., 2014. All rights reserved. _ 概述概述 1.2 方案的构成和特点 本方案设计的目的是用来驱动两个无位置传感器的三相永磁同步电机和一个单相的PFC变换器。 以下是本方案系统的主要应用特点： 无

3、位置传感器三相永磁同步压缩机的矢量控制 无位置传感器三相永磁同步风机的矢量控制 单相两通道交错并联式PFC变换器控制 三电阻电机相电流检测技术 双电阻交错并联式PFC变换器电流检测技术 直流母线电压检测 市电输入整流电压检测 三个独立温度点的温度检测 采用飞思卡尔MC56F84789数字信号控制器 单块功率驱动板搭配一块MC56F84789子卡的硬件架构 支持的输入交流电源：85 265V/40 70Hz RS232或RS485通讯接口 图图 1 方案系统实物图方案系统实物图 基于基于MC56F84789 DSC单芯片同时控制一个单相单芯片同时控制一个单相PFC和两个无位置传感器的三相永磁同步

4、电机的空调系统，设计参考手册，和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统，设计参考手册， Rev. 0， 04/2014 2 Freescale Semiconductor 概述概述 本参考方案将提供以下内容供用户参考和评估： 软件 基于飞思卡尔嵌入式电机控制软件库（FSLESL）的C代码例程 硬件 功率驱动板和MC56F84789子卡的原理图、BOM和PCB文件 文档 本文档以及所有参考文档 1.3 正弦永磁同步电机应用概述 在电机应用领域，正弦永磁同步电机正在替代传统的有刷直流电机、通用电机和其它类型电机成 为最广泛应用的电机类型。其主要原因是永磁同步电机具有高可靠性（没有电刷）、高能

5、效、低 噪声和其它电子控制优点。当然，永磁同步电机驱动的劣势是需要更为复杂的电子电路。但在今 天，绝大部分的电机应用都需要电子电路来进行电机速度或转矩控制，以及其它功能控制。一旦 电机控制应用中使用了电子电路，那么就可以附加很少的系统硬件成本，使用数字控制的逆变器 实现更先进的诸如正弦永磁同步电机驱动系统。飞思卡尔MC56F84789数字信号控制器是一款高 性价比、具有强劲运算性能的电机控制专用控制器，非常适合正弦永磁同步电机控制应用。 相比于交流感应电机，永磁同步电机具有很多优点。由于转子带有永磁材料，转子磁场直接由转 子永磁体产生，这样永磁同步电机可以获得比交流感应电机更高的效率。基于这一

6、优势，永磁同 步电机被广泛地应用于需要高可靠性和高能效的产品中， 如白色家电 （冰箱、 洗衣机和洗碗机等） 、 泵、压缩机、风机和其它电器。 三相永磁同步电机通常有两种最常见的类型： 正弦永磁同步电机和方波无刷直流电机 （BLDC） 。 正弦永磁同步电机与方波无刷直流电机非常相似，但有以下两个主要差别： 电机结构 o 定子感应的反电动势：正弦永磁同步电机为正弦波，方波无刷直流电机为梯形波。 控制方式 o 正弦永磁同步电机采用三相正弦波控制，而方波无刷直流电机采用方波六步换向控制。 由于恒定的转矩控制，通常正弦永磁同步电机比方波无刷直流电机具有更好的性能，然而方波无 刷直流电机更易于控制。方波无

7、刷直流电机的广泛使用有其历史原因，主要因为在当时先进的控 制技术和高性能的控制器还未成熟，而方波无刷直流电机因其总有一相处于非导通状态，使得使 用简单的算法便可实现无位置传感器的方波六步换向控制。正弦永磁同步电机虽然需要复杂的控 制技术，但却能提供更平滑的转矩、更低的噪声等好处。正如本文档所描述的，飞思卡尔 MC56F84789数字信号控制器能提供两个无位置传感器三相永磁同步电机矢量控制必需的所有功 能模块。 使用飞思卡尔的MC56F84789数字信号控制器，在几乎不增加系统硬件成本的情况下，可直接用 三相永磁同步电机控制系统替代方波无刷直流电机控制系统。正弦永磁同步电机常见的控制算法 有以下

8、两种： 标量控制：V/Hz恒量控制是非常流行的标量控制技术 基于基于MC56F84789 DSC单芯片同时控制一个单相单芯片同时控制一个单相PFC和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统, 设计参考手册，设计参考手册， Rev. 0， 04/2014 Freescale Semiconductor 3 概述概述 矢量控制或磁场定向控制：相比于标量控制，矢量控制带来整体驱动性能的提升，如高能 效、全转矩控制、磁通和转矩解耦控制、和优异的动态性能等。 本文档所描述的永磁同步电机控制技术是更为高级的矢量控制。 对于永磁同步电机矢量控制系统，必需获得

9、准确的电机转子位置信息。而本方案采用一种特殊的 无位置传感器算法来观测电机转子的位置和速度信息，无需物理位置传感器，进而提高系统的可 靠性并降低系统成本。本文档内容包含基本电机理论、系统设计概念、硬件设计、软件设计、以 及FreeMASTER可视化软件工具。 1.4 飞思卡尔数字信号控制器的优势和特点 飞思卡尔MC56F84789数字信号控制器不仅带有兼具DSP和MCU优点的内核，同时还集成了诸多 如脉宽调制器（PWM）、模数转换器（ADC）、定时器、DMA、内部模块互联单元（XBAR）， 通信外设（SCI，SPI，IIC），和片内Flash和RAM存储器等专用外设模块，非常适用于数字电机 控

10、制应用。 MC56F84789集成以下功能模块： 100 MHz内核 o 单周期32位乘以32位结果为32位或64位乘 累加指令， 支持一个可选的32位并行数据搬 移指令 o 单周期16位乘以16位结果为16位或32位乘 累加指令， 支持两个可选的16位并行数据搬 移指令 o 四个包含扩展位的36位累加器 片内288 KB Flash 片内32 KB RAM COP看门狗 中断控制器 系统集成模块 8通道高精度脉宽调制器 8通道标准脉宽调制器 定时器 两个16通道高速12位ADC 一个16通道16位SAR ADC 一个12位DAC 基于基于MC56F84789 DSC单芯片同时控制一个单相单芯

11、片同时控制一个单相PFC和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统，设计参考手册，和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统，设计参考手册， Rev. 0， 04/2014 4 Freescale Semiconductor 概述概述 四个带6位参考DAC的模拟比较器 串行通信接口：IIC、SCI、SPI和CAN 四通道DMA 两个内部模块互联单元（XBAR） 与/或/非模块 低功耗控制模块 循环冗余校验码产生器 图图 2 MC56F84789简化块图简化块图 永磁同步电机矢量控制和PFC控制对PWM和ADC模块有特殊的需求。MC56F84789的eFlexPWM 模块提供了非常灵活的

12、配置功能，可以实现高效的三相永磁同步电机和PFC的控制。更为甚者， 该eFlexPWM模块还能在中心对齐模式下产生非对称的PWM输出。 eFlexPWM模块有以下主要特点： 16位分辨率，支持中心对齐、边沿对齐和非对称PWM输出 高精度小数延时功能，同时支持高精度PWM频率和占空比 改善分辨率的抖频功能 支持互补或独立PWM输出 基于基于MC56F84789 DSC单芯片同时控制一个单相单芯片同时控制一个单相PFC和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统, 设计参考手册，设计参考手册， Rev. 0， 04/2014 Freescale Se

13、miconductor 5 概述概述 支持符号数PWM生成 PWM两个边沿的独立控制 支持与外部硬件或其它PWM模块同步功能 双缓冲PWM寄存器 每个PWM周期多个硬件触发输出 支持双开关PWM输出 每个故障输入能控制多个PWM模块输出 可编程的故障引脚输入滤波器 独立可编程的PWM输出极性 独立的上下管死区时间插入 每个互补PWM信号对有自己独立的PWM频率和死区时间 每个PWM输入支持独立的软件控制 通过FORCE_OUT事件，能同时更改所有PWM输出状态 PWM_X能配置成为每个PWM模块第三个PWM输出信号 未作为PWM输出使用的通道能配置为带缓冲的比较输出功能 未作为PWM输出使用的

14、通道能配置为输入捕获功能 增强的双边沿捕获功能 每个PWM互补对的源信号可以来自以下信号： o 外部数字引脚 o 内部定时器通道 o 内部模块互联单元（XBAR）输出 o 经过高低限幅寄存器处理的外部ADC输入 12位ADC模块有以下主要特点： 12位分辨率 支持最高20 MHz输入时钟 高达6.67 MSPS采样率 单次转换时间：8.5个ADC时钟周期 顺序转换时间：6个ADC时钟周期 并行同时转换模式下，完成8个通道转换仅需26.5个ADC时钟周期 基于基于MC56F84789 DSC单芯片同时控制一个单相单芯片同时控制一个单相PFC和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统，设计参考

15、手册，和两个无位置传感器的三相永磁同步电机的空调系统，设计参考手册， Rev. 0， 04/2014 6 Freescale Semiconductor 概述概述 通过内部模块互联单元，能实现与如eFlexPWM等模块的同步操作 顺序扫描模式可存储多达16个测量结果 并行扫描模式每个ADC模块可存储多达8个测量结果 支持扫描暂停并在新的触发输入来临时继续原来扫描序列 可配置输入信号增益：x1、x2和x4 如果转换结果超过限幅或有过零发生，可配置在转换完成后产生中断事件 当扫描结束或转换结果已经就绪，可触发DMA功能搬移转换结果数据 通过减去预编程的偏移值，可实现采样纠正功能 支持有符号或无符号结果输出 支持单端或差分输入 三个模拟输入支持滞环PWM输出 16位ADC模块有以下主要特点： 达到16位分辨率，基于线性逐次逼近算法 多达24个外部单端输入通道 输出模式： o 单端16位、12位、10位或8位 单端无符号右对齐格式输出 单次转换完成后自动返回空闲态 可配置的采样时间和转换速度/功耗 支持转换完成/硬件平均完成生成标志和中断 支持四个可选的时钟源输入 为降低噪声，可运行在低功耗模式 适合低噪声运行的异步