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  AVR Applications
AVR 자료실
작성자 leeky        
작성일 2006/04/07
첨부#1 pwm3_ac_ctrl_motor_0_0_6.zip (0KB) (Down:175)
첨부#2 avr_acmotor_control_shot.jpg (0KB) (Down:31)
Link#1 ac.asp (Down:21)
ㆍ추천: 1  ㆍ조회: 922   
  AT90PWM3 교류모터 속도제어

AVR MPU AT90PWM3로 3상교류용 유도모터의 속도를 제어한다.
(내장된 64MHz PLL 클럭으로 고속 PWM 전용 파형발생기를 구동),
전통적인 교류 모터의 교류전원 전압으로 정속용 모터의 속도를 가변하는 직접적인 작동,
이것은 전력소모, 소음과 기계적 진동을 줄인다.  
.
교류모터 제어의 표준 응용들
- 기계설비 (Appliances)
- 공조설비 (HVAC)
- 산업현장 (Industrial drives)
- 차량제어 (Automotive control)
.
목표 AVR 소자 : AT90PWM3
바로가기 ; http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?PN=AT90PWM3
개발 키트는 2005년 4분기 이내에 소개된다
.
응용 지침 :
AVR494 : V/F 정속 원리와 순수 PWM 알고리즘을 사용한 교류 유도모터 제어 (12 쪽, 개정 A, 수정 12/05)  
AVR495:  V/f 정속 원리와 공간벡터 PWM 알고리즘을 사용한 교류 유도모터 제어 (11 쪽, 개정 A, 수정 12/05)  
소프트웨어 :  http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/AVR494_AVR495.zip
.
■ AVR495: V/f 정속 원리와 공간벡터 PWM 알고리즘을 사용한 교류 유도모터 제어 (응용 지침)
------------------------------------------------------------------------------------
특징
. 가격-성능과 에너지 효과적인 3상 유도모터(induction motor)의 구동
. 가로채기 구동
. 적은 메모리와 연산(computing)을 요구한다
.
1. 소개
선도 응용 지침 [AVR494]에서, 일정(constant) 전압/주파수(V/F) 원리를 사용하는
유도모터 속도제어 루프의 실행과 순수(natural) 펄스폭 변조(PWM) 기술이 설명되었다.
.
좀더 기교적인 접근으로, 순수 PWM 기술 대신에 공간벡터 PWM의 사용은
낮은 에너지 소모와 향상된 과도 특성으로 알려져 있다.
이 응용 지침이 노리는 것을 접근하여 보여준다,
좀더 계산적으로 집중됨에도 불구하고, AT90PWM3에서 도구화 될 수 있다.
.
2. AT90PWM3 주요 특징
제어 알고리즘은 AT90PWM3에서 도구가 되었다.
저 가격 낮은 전력 단일 칩 마이크로 제어기,
16 MIPS 까지 구축(achieving)
그리고 승압(buck-boost) 변환기의 제어용에 알맞다,
영구자석 동기 장치, 3상 유도모터와 BLDC 모터 (브러시없는 직류모터)
.
이 소자에 직접됨 :
• 8 비트 AVR 향상된 RISC 구조 마이크로 제어기 (코어는 ATmega 88과 비슷)
• 가능한 플래시 롬 8K 바이트 ISP
  변수와 프로그램에 전용된 미리보기 표를 저장하는  512 바이트 SRAM
• 설정 데이터와 미리보기(look-up) 표를 저장하는 512 바이트 EEPROM
• 1개의 8 비트 타이머와 1개의 16 비트 타이머
• Half-Bridge 전력제어를 위해 optimized된 6개의 PWM 채널
• 11 채널 10 비트 ADC와 10 비트 DAC
• 3개의 전압 비교기
• 내부 발진기로 프로그램 가능한 보초(watchdog) 타이머
.
3. 작동 원리
3.1 공간 벡터(Space-Vector) 변조의 원리
  
그림 3-1은 3상 유도모터를 VS1 (전압원 인버터)에 연결한 표준 구조이다.
중성점에 연결되지 않은 평형부하로 모터를 추정하면,  
Vn =<Va +Vb +Vc>/3,
Van =Va -Vn =(Vab -Vca)/3, Vbn =Vb -Vn =(Vbc -Vab)/3, Vcn = Vc -Vn =(Vca -Vab)/3 이다.
 
높은쪽의 전원 스위치는 On 혹은 Off 될수 있고, 낮은쪽의 하나는 항상 상반되는 상태로 가정된다.
(인버터 다리의 dead-times은 무시된다),
거기에는 그림 3-2와 같은 오직 8개의 가능한 스위치 상태가 있다.
.
주1. 윗쪽의 스위치가 On 이면, 아래쪽의 스위치는 항상 Off이다.
주2. dead-time 기간중에 윗쪽, 아래쪽 스위치는 모두 Off 이다.
주3. dead time은 브릿지 구동에서 윗쪽과 아래쪽의 스위치가 전환시에 모두 도통되는 것을 방지하는 방법이다
.


그들 6개는 0 이 아닌 전압으로 인도되고, 2 개는 교체(S0과 S7)가능한 0 위상전압 상태로 인도된다.
2D 구조로 배치될 때 Concordia 변형 [1,2]를 사용하여 고정자(stator)로 정착된다,
6개의 0 이 아닌 전압(100% 출력시)은 6각형의 꼭지점 모양이다. (그림 3-3을 보라)
.
그림 3-3. Concordia 기준 틀에서 가능한 8개 스위치 배열의 표현
 

- 고정자 출력전압이 육각형 그림에서 꼭지점 (1)과 (6)사이에 있다면
  중심점에서 꼭지점 (1)과 (6)사이에 있는 점까지의 거리가 출력전압 Vs이므로
  (1)과 (6)사이에 있는 고정자 출력전압 Vs의 위치값은
  수평성분 Va와 수직성분 jVb로 부터 Vs =Va + jVb로 나타낸다.
  Vs =Va + jVb는 Vsm^(cos(Θ) +jVsm sin(Θ))이므로
  90각도의 서로 다른값 Va와 Vb로 부터 중심점에서 출발한 경사길이 Vs를 구한다.-  
.
표 3-1은 인버터의 가능한 배열 8개 각각의 선간(line-to -line)전압과 상(line-to-neutral)전압을 보인다.

 

표 3-2 각 섹터에서 듀티 주기의 표현식 (duty cycle이란 PWM 제어에서 펄스의 출력시간이다)
 
 
그림 3-3에서 보여준, 2개의 연속적인 0 이 아닌 전압 사이의 각도는 항상 60도이다.
복합적인 모양에서, 그들 0 이 아닌 위상전압들은 k = 1. . . . .6과
V0 =V7 =0V로 Vk = Ee ^(j(k-1) *n/3) 으로 쓰여질 수 있다.
.
Concordia 형식에서,
어떤 고정자의 전압 Vs =Va + jVb =Vsm^(cos(Θ) +jVsm sin(Θ))은
6개의 섹터중 하나에 소속된 이 6각형 안쪽에 위치한다.
.
그리고 이 섹터는 Vs =dkVk +dk+1Vk+1에서 제한된,
2개의 0이 아닌 상전압의 조합으로 표현될 수 있다.
등식 dkVk+dk+aVk+1 에서 =Vsm^(cos(Θ) +jVsm sin(Θ)) 까지 
하나의 섹터 인도는 표 3-2에서 보여준 duty cycles로 표현된다.
.
인버터는 직접적으로 Vs를 발생할 수 없다.
공간벡터 PWM 원리는 Tk =dkTs와, Vk+1와 Tk+1Ts 동안에 Vk를 생성하여,
Vs와 같은 평균값인 Ts-periodic 전압으로 이루어 져있다.
.
(dk + dk+1) ≤1 사이에서,
그들 전압은 반드시 초과 스위칭 주기 Ts와 V7로 부터 완성된다.
몇개의 답은 가능하다 [3,4], 그리고 하나는 V0 와 같은 기간 V7에 적용된
.
            1-dk -dk+1
T0 =T7 =----------- Ts.
                  2
고정자 전류로 이루어진 총 고조파 왜율의 최소화이다.
중간에 적용된 위치에서 V0는 스위칭 주기의 시작부터 끝까지 등가적으로 적용된다.
그림에서, 그림 3-4 안의 윗쪽에 있는 섹터 1에서 획득된 파형이 보인다.  
.
그림 3-4. 인버터 스위치 파형과 대응하는 비교 레지스터(compare register)의 값(중간을 중심으로 대칭이다)
 

3.2 SV-PWM의 실행 효과
표 3-2. 에 보여준 duty cycles은 하나의 섹터 안에서 다른 표현식을 갖는것을 보여준다  
정현파 sin(x) =sin(π -x)에서 보여준 그들의 표현식을 공부한다.
그들 모두의 duty cycles은 다음과 같이 통일된 방법으로 쓰여질 수 있다.
.
주1. π /3은 π =180도 이므로 60도의 섹터를 계산하는 것.
주2. 섹터는 스위칭할 다리를 찾고 dk는 자기 다리에서 출력할 펄스폭.
주3. 2Vsm/(E√3)은 정현파의 100% 출력시의 직류전압.  
주4. sin(Θ)는 100% 전압에 곱해줄 자기 출력각도에 맞는 정현파 테이블의 옵셋.
.
       2Vsm                        2Vsm            
dk =------ sin(Θ") 와 dk+1 =------ sin(Θ'),
       E√3                         E√3 
.
      π                              π
Θ" =---  -Θ' 와  Θ' =Θ -(k-1)---.
       3                               3
.
그들 길지 않은 표현식의 섹터번호로 의존된다.
그들은 da와 db에 의해 지시된다. Θ'는 항상 0과 π/3 사이이다.
da와 db 계산은 오직 이 간격의 내부각도를 위한 정현파 표를 요구한다.
이 커다란 메모리 합계의 감소는 정현파 표의 저장을 요구한다. 
.
테이블 생성식
           2*pi           // 2π =360도 (테이블 기준)
sin(x *  ------) *127 // 127은 0x7F로 1바이트 테이블의 최대값/2
           6*80          // 6(섹터 갯수) * 80 (섹터당 테이블 생성 갯수)
.
// MATLAB 프로그램으로 상수 81개를 생성 (0을 포함)
// 60도 각도로 정현 주기는 480 포인트 (MLI 벡터)
.
/* MTLAB 소스
N=80;
tab_sin2=zeros(1,N+1);
for i=1:N+1,
tab_sin2(i)=round((sin((i-1)*2*pi/(6*N)))*127);
.
fprintf('%d,',tab_sin2(i));
if (rem(i,10)==0), fprintf('
'); end;
end
fprintf('
');
*/
.
const unsigned char tab_sin[81]=
{00,02,03,05,07,08,10,12,13,15,17,18,20,22,23,25,26,28,30,31,33,
34,36,38,39,41,42,44,46,47,49,50,52,53,55,56,58,59,61,62,63,65,
66,68,69,71,72,73,75,76,77,79,80,81,82,84,85,86,87,89,90,91,92,
93,94,95,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,107,108,109,110};
.
AT90PWM3은 공간벡터 알고리즘으로 부터 계산된
스위칭 파형을 발생하는 3개의 전력단 제어기(PSC)를 제공한다.
카운터는 0 부터 스위칭 주기의 반까지 알맞는 값을 계수할 것이다.
(그림 3-4의 아래 부분에서 보여 준), 그후에는 0으로 하강 계수된다.
표 3-3에서 주어진 3개의 비교 레지스터들의 값은 반드시 저장되어야 한다.
.
표 3-3. 비교 레지스터값 대 섹터 번호
 
 
3.3 섹터의 결정과 알고리즘
섹터의 정의는 주어진 고정자 전압 Vs로 소속된다,
일반적으로 필요한 많은 산술계산과 좌표평면 혹은 a-b-c위상 공간에서
Vs의 좌표를 기반으로 문헌에서 약간의 알고리즘을 제안했다.
.
이 전압이 v/f 제어 원리로 부터 추론될 때, 그 지수(modulus) Vsm은
선도 응용지침(AP:494)에서 재 정의된 V/f 법칙으로 계산된다,
.
그리고 그 위상 Θ는 개별-시간 적분기 ωs로 부터 추론된다.
이 섹터에서 정의된 효과적인 알고리즘의 도구로
우리는 Θ'와 그림 6에서 보여준 전용 적분기 안에서 Θ' 대신에 k를 관리한다.
섹터번호 k는 각 시간 π/3을 넘어선 Θ'로 활성화된 6진 카운터의 출력이다. (그림 3-5를 보라).
.
그림 3-5. Sector 정의 알고리즘
 
 
그림 3-6. Sector 정의

// 파일 : space_vector_PWM.c
// 저작권 : (c) 2004 Atmel.
// 버전 : 1.0 (CVS revision : 1.1.1.1)
// 날짜 : 2005/09/21 15:08:53 (06/04/2004 생성)
// 저자 : jberthy (생성 Emmanuel David)
.
#include "config.h"
#include "inavr.h"
#include "table_sin81.h"
#define K_scal 16
#define MAX_THETA 80   // 1섹터의 테이블 갯수 =80개
#define MAX_PWM 2666  // 0x0A6A = 2666 (PWM 주파수 12 kHz)
.
Uint16 tau1, tau2 ;
Uint16 tau1bis, tau2bis;
Uint8  theta1 , theta2 ;
Uint16 Thetai = 0, Thetai_1 = 0;
extern Uint16 PWM0, PWM1, PWM2;   // 254 => temps mort = 4 탎
Uint8   Sector_number = 1;            // 시작섹터 =1
.
void SVPWM(Uint16 amplitude, Uint16 OmegaTe) {
  Thetai_1 = (K_scal*Thetai_1 + OmegaTe) / K_scal ;
  if (Thetai_1 >= MAX_THETA) {
    Thetai_1   -= MAX_THETA ;                
    Sector_number = Sector_number + 1 ;  // 다음섹터로 이동
    if (Sector_number > 6) {
      Sector_number = 1 ;                     // 섹터7 =섹터1로 리셋
    }
  }
.              
  theta2 = (unsigned char) Thetai_1 ;
  theta1 = (unsigned char) (MAX_THETA - Thetai_1) ;
  tau1 = (amplitude * tab_sin[theta1]) / 128 ;  // 진폭 최대값 =128
  tau2 = (amplitude * tab_sin[theta2]) / 128 ;  // 진폭 최대값 =128
.
  switch (Sector_number) {
  case 1 :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 - tau2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 - tau2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 + tau2) ; break ;
  case 2 :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 + tau2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 - tau2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 + tau2) ; break ;
  case 3 :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 + tau2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 - tau2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 - tau2) ; break ;
  case 4 :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 + tau2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 + tau2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 - tau2) ; break ;
  case 5 :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 - tau2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 + tau2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 - tau2) ; break ;
  case 6 :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 - tau2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 + tau1 + tau2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2 - tau1 + tau2) ; break ;        
  default :
      PWM0 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2) ;
      PWM1 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2) ;
      PWM2 = (unsigned short int) (MAX_PWM/2) ; break ;
  }
}
.
데이터 흐름도의 결과를 그림 3-7에 보여준다
그림 3-7. 공간벡터 PWM 데이터 흐름도
 

희망속도와의 어떤 오차 안에서 속도제어 루프를 만들어서 사용할 수 있다. (그림 3-8.),
그리고 고정자 전압/주파수로 결정하여 측정된 속도를 PI 제어기로 공급한다.
.
// 속도제어용 변수
S16 speed_error=0;        // 오차를 0으로 초기화
S16 speed_integral = 0;   // 적분오차를 0으로 초기화
S16 speed_integ = 0;      // 적분오차 출력을 0으로 초기화
S16 speed_proportional = 0;  //비례오차 출력을 0으로 초기화
.
// 속도제어
// @brief  속도 제어기
// @return 속도값 (16 비트 duty cycle값)
// 속도 측정은 10 비트 분해능이다
.
S16 mc_control_speed_16b(S16 speed_ref , S16 speed_measure)
{
  S16 Duty = 0;
  S16 increment = 0;
.
  // 오차 계산
  speed_error = speed_ref - speed_measure ;  

  // 비례오차 계산 Kp= 7/64=0.1
  speed_proportional = ( speed_error/8 - speed_error/64 );
.
  // 적분오차 계산
  speed_integral = speed_integral + speed_error;
.
  // 속도적분 제한
  if(speed_integral >  32000) speed_integral =  32000;
  if(speed_integral < -32000) speed_integral = -32000;
.
  // 속도 적분 계산 Ki_speed*speed_integral, with Ki_speed = 29/8192=3e-3
  speed_integ = (speed_integral - speed_integral/8 + speed_integral/32) / 256 ;
.
  // Duty Cycle 계산
  increment = speed_proportional + speed_integ;
  increment = (increment/2 + increment/4) ; // PI 출력 정규화
.
  // PI (비례적분) 출력의 제한
  if( increment > (S16)(0) ) {
    if  (increment <= (S16)(192)) Duty = (S16)increment ;
     else Duty = 192 ;
  }
  else {
    if  (increment < (S16)(-192)) Duty = -192 ;
     else Duty = (S16)increment ;
  }
.
  // 복귀 =Duty Cycle 값 <--- 인버터 출력값으로 PWM 생성기에 넣는다  
  return Duty;
}
.
그림 3-8. 완전한 제어장치의 기능 계통도
 
 
주파수/전압 법칙의 입력과 공간벡터 PWM 알고리즘은 고정자 전압/주파수의 절대값이다.
만일 PI 제어기의 출력이 음수라면, 2개의 스위칭 변수로 교환된 인버터의 전력 TR을 구동한다.
.
4. 하드웨어 설명 (ATAVRMC200)
이 응용은 ATAVRMC200 평가 기판에 있다.
이 기판은 시작방법과 동기모터 제어의 실험을 제공한다.
 
 
The ATAVRMC201 is a 3-phase, 4-pole motor manufactured by Almo
(ref.: MTA56G4) and features 90W@230V with 1320RPM speed.
.
ATAVRMC200 주요 특징들:
• AT90PWM3 마이크로 제어기
• 110-230VAC 모터구동
• 지능형 전력모듈 (230V / 400W 기판크기)
  ISP와 Emulator 인터페이스
  RS232 인터페이스
• 센서용 절연 I/O
• 명령과 센서용 0-10V 입력
.
5. 소프트웨어 설명
모든 알고리즘은 IAR 탑재형 개발환경으로 쓴 C언어와 개발도구인 AVR Studio에서 쓰여졌다.
모든 공간벡터 PWM 알고리즘, 0 에서 80 이내로 사용된 완성된 값
         2πk
127 sin----- 의 표(81 바이트)는 유효한 내부 메모리의 크기와 회전축 속도의 정량화된 값과의 좋은 협상이다.
         480
양방향 속도 제어를 위해서, PI 안정기의 출력이 음수일때 비교기에서 교환된 2개의 값들이 저장된다.
(그림 3-8을 보라).
.
5.1 프로젝트 설명
이 소프트웨어는 아트멜 사이트의 첨부된 프로젝트 안에 있다.
이 프로젝트는 AVR494 응용지침 Project_Natural에 상응하는 Project_Vector가 사용되었다.
.
표 5-1. "Project_Vector" IAR 프로젝트에 사용된 파일 목록
  

5.2 실험
그림 5-1. +700 ~ -700 rpm 사이의 기준스텝 속도를 위한
마이크로 제어기의 응답속도와 획득된 고정자(stator) 전압을 보여준다.
그들 실험결과는 750W 유도모터 장치로 부터 획득되었다.
.
이 그림은 1.2초 동안의 과도현상 후에 수렴되는 희망속도를 보여준다.
그리고 PI 안정기가 0 부근으로 나오면 고정자(stator) 주파수 ωs가 획득된다
고정자 전압 진폭은 boost 전압과 같다.
그들 그림에서도 공간벡터 PWM은 긴 시간이지만 부드러운 과도현상이 획득된다.
.
그림 5-1. 마이크로제어기의 기준스텝 속도로 측정된 속도(rpm)와 획득된 고정자 선간전압(Volt)=Stator Volatge
(*역자 주 : 선간전압이 정현파가 아닌것은 60 위상차를 갖는 2개의 정현파 상전압이 겹쳐있기 때문이다. )
  

6. 자원(Resources) <--- resourece란  소프트웨어 작동으로 MPU가 사용된 소모량을 말한다.
Code Size : 2 584 bytes
RAM Size : 217 bytes
CPU Load : 33% @ 8MHz
.
7. 참조 문헌
1. Atmel AVR494, V/F 정속 원리와 순수 PWM 알고리즘을 사용한 교류 유도모터 제어
2. W. Leonhard, “전기 구동기의 제어 2판”, Springer, 1996.
3. F.A. Toliyat, S.G. Campbell, “DSP 기반의 전기-기계 동력제어(motion control)”, CRC Press, 2004.
4. Y.Y. Tzou, H.J. Hsu, “3상 펄스폭-변조 공간-벡터 인버터용 PWM 제어 IC의 FPGA 구현”,
   IEEE 회보 - 전력 전자, Vol 12, No 6, pp 953-963, 1997.
5. K. Zhou, D. Wang, “공간-벡터 변조와 3상 캐리어 기반의 PWM 사이의 관계”,
   IEEE 회보 - 산업 전자, Vol. 49, No. 1, pp 186-196, February 2002.
.
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무단복제 및 배포를 금합니다.
원저자 : http://www.atmel.com/
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