基于AVR單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
吳耀春，亢鳳林
（安陽工學(xué)院，河南安陽455000)
中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E
文章編號(hào)：1004—70埔(2010)05—0074—0l
0 引言
ATmegal8是ATMEL公司推出的一款A(yù)VR增強(qiáng)型單片機(jī)，內(nèi)置nash的精簡指令集(RIsc)高性能低功耗cM0s微處理器。本文探討了以ATme酣8單片機(jī)為核心無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)和控制策略。
1系統(tǒng)硬件構(gòu)成和工作原理
1.1控制電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，它包括一個(gè)以A1_m。gal8為核心的單片機(jī)控制板，一塊配套的電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)板和一臺(tái)無刷直流電動(dòng)機(jī)。
控制板部分以A1_me鰣8為核心，加上一部分外圍電路及接口構(gòu)成。主要功能是控制指令的接收和執(zhí)行，速度檢測(cè)信號(hào)的接收和計(jì)算處理，電流采集信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)控制算法的執(zhí)行等。
電機(jī)控制主要通過對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的控制來實(shí)現(xiàn)。利用AT一megal8內(nèi)部集成的3個(gè)可實(shí)現(xiàn)任意相位和頻率可調(diào)的PwM通道，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率芯片所需的PwM信號(hào)，通過速度檢測(cè)電路采集驅(qū)動(dòng)模塊在驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)TAcH產(chǎn)生的速度脈沖信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算和存儲(chǔ)，作為速度環(huán)的參考信號(hào)。利用內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換通道對(duì)相電流Iphase進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，作為電流環(huán)的反饋信號(hào)。通過單片機(jī)的I／0與驅(qū)動(dòng)模塊的控制接口相連，PBl口輸出電機(jī)的起動(dòng)停止信號(hào)，PD6口輸出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)信號(hào)，PB0、PB4、PB5、PB6口輸出組合信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同的緊急制動(dòng)模式等。通過片上的相應(yīng)引腳和485串行通信模塊與Pc機(jī)通信，接收上位機(jī)的控制指令。
1.2驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制部分傳送過來的驅(qū)動(dòng)信息進(jìn)行處理，以此來控制電機(jī)的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。除此之外，還有電源電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、過流保護(hù)電路和緊急制動(dòng)等輔助電路，以及電機(jī)和控制板的接口電路。具體電路如圖2所示。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用AⅡegr0公司的DMOs三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片A3936，它具有集成度高、可靠性好、速度快、過流欠壓及過熱保護(hù)、調(diào)試方便等特點(diǎn)。A3936內(nèi)部集成可編程混合快
慢電流衰減模式，外部速度控制回路轉(zhuǎn)速計(jì)輸出，交叉電流保護(hù)和內(nèi)部欠壓鎖定及過熱關(guān)機(jī)電路。
驅(qū)動(dòng)電路采用+24 V供電，電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)由ENA—BLE引腳輸入的PwM信號(hào)控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由DIR控制，置高，電機(jī)正傳，反之則反轉(zhuǎn)。BRAK}：引腳置高，PFD2、PFl)1引腳分別取11，快衰減緊急制動(dòng)；10，以48％的速率衰減制動(dòng)；01，以15％的速率衰減制動(dòng)；00，慢衰減制動(dòng)。RFE是一個(gè)_口J調(diào)電阻，調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的保護(hù)電流。
2控制策略
理想的無刷直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩公式如下：
式中：Np為總導(dǎo)體數(shù)；B為永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密；l為轉(zhuǎn)子鐵心長度；t為轉(zhuǎn)子半徑；ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；is為定子電流由以上公式可以看出，其轉(zhuǎn)速與電壓成正比，轉(zhuǎn)矩與相
電流成正比。為了達(dá)到控制精度和動(dòng)態(tài)性能，本系統(tǒng)選用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。  飛利浦FC9066吸塵器的特點(diǎn)是吸塵器輕巧、低噪聲，使用電機(jī)罩空間小，電機(jī)�。坏σ�，勢(shì)必功率大，轉(zhuǎn)速升高。
優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)的機(jī)械特性硬，裝人吸塵器壓降少，效率損失少，但轉(zhuǎn)速高；缺點(diǎn)：電樞換向周期Tk 極短，這就大大增加換向元件的感應(yīng)電勢(shì)，惡化換向，增加火花。另外，高速碳刷和換向器的磨損、振動(dòng)、沖擊和轉(zhuǎn)子不平衡等急劇增加，又會(huì)嚴(yán)重惡化換向，縮短電機(jī)壽命。這就要求使用的零件材料質(zhì)量均要提升，換向器要求耐高速，碳刷要求耐磨且耐高轉(zhuǎn)速變化，壓制火花能力加強(qiáng)，電機(jī)使用絕緣系統(tǒng)要提高，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡精度要提高，配件配合精度提高等。
對(duì)于上述缺點(diǎn)，飛利浦吸塵器電機(jī)采取下列四項(xiàng)措施。
(1)電機(jī)尺寸減小。鐵心疊厚減少至18 mm，使用鐵損小的硅鋼片(相當(dāng)于國產(chǎn)的35w230，疊厚比常規(guī)減少29％)，這可減小高速帶來的振動(dòng)、沖擊，減小電抗電勢(shì)、電樞 |
