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吳耀春，亢鳳林
（安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng)455000)
中圖分類(lèi)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(jiǎn)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(wú)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(wú)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(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的控制來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)來(lái)的驅(qū)動(dòng)信息進(jìn)行處理，以此來(lái)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(guò)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(guò)流欠壓及過(guò)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(guò)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(wú)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(zhǎng)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)��；但吸力要大，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(guó)產(chǎn)的35w230，疊厚比常規(guī)減少29％)，這可減小高速帶來(lái)的振動(dòng)、沖擊，減小電抗電勢(shì)、電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，改善換向。電機(jī)外殼使用塑料uP GF一12，線包與殼體靠得較近，無(wú)鐵殼的爬電距離之憂，碳刷可置于風(fēng)機(jī)端，電機(jī)的外形尺寸只有西110 mm×110 mm，電機(jī)體積縮小16％。
(2)風(fēng)機(jī)縮小，換向器外徑減小(程!O mm，比常規(guī)換向器外徑縮小10％)，這可彌補(bǔ)轉(zhuǎn)速高帶來(lái)的磨損量加大，以降低線速度，減小電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢(shì)；加長(zhǎng)碳刷達(dá)38 mm(碳刷加長(zhǎng)15％)，使崩扭簧，減短刷架長(zhǎng)度，也可減小電機(jī)尺寸。
按線速度與轉(zhuǎn)速的公式：
式中：l為周長(zhǎng)；n為轉(zhuǎn)速：現(xiàn)轉(zhuǎn)速由原36 000 r／min 上升到40000 r/min，如線速度不變，其換向器的外徑將縮小11％。
目前國(guó)內(nèi)換向器的質(zhì)量水平跟國(guó)外比較接近，但換向器的主要結(jié)合體一電木粉原料還是靠進(jìn)日，用于高速高強(qiáng)度換向器中的樹(shù)脂材料國(guó)內(nèi)還不適應(yīng)，歐洲料對(duì)模具工藝要求高，國(guó)內(nèi)較難適用，現(xiàn)多選用日本料，而日本料實(shí)際使用時(shí)也有一定的局限性，如綜合性能好的日立料CP7010，長(zhǎng)時(shí)間工作在3600O r／min尚可，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命也能達(dá)到600h以上高要求，當(dāng)轉(zhuǎn)速冉高，用于高轉(zhuǎn)速吸塵器電機(jī)上的運(yùn)轉(zhuǎn)壽命就會(huì)出現(xiàn)呈批量性的縮短。
按上述措施用國(guó)產(chǎn)材料做試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。換向器外徑比原縮小lO％．其他條件不變(主要指碳刷與電樞磁勢(shì)的軸線連線重合，位于幾何中性線上)，電機(jī)壽命結(jié)果如表3所示。
試驗(yàn)情況如下：電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行良好，10天后，火花增大，碳刷磨損極快。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)電機(jī)換問(wèn)器有幾片銅排磨損厲害，槽口變大，碳刷磨損只剩4 mm。
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，雖然換向器外徑減小，線速度與以前電機(jī)相同，但碳刷磨損還是比以前大。主要原因是轉(zhuǎn)速升高使換向元件的感應(yīng)電勢(shì)加大，惡化換向，隨著碳刷壓力的減小，換向元件與碳刷的接觸惡化加劇，碳刷燒損加劇。
(3)優(yōu)化換向，偏移碳刷角度和換向片連線位置。
按串勵(lì)電機(jī)理論，改善換向的方法，就是減少換向元件中的電抗電勢(shì)er，電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢(shì)％和旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ekt.即：
式中：Ws為換向元件匝數(shù)；L為電樞鐵心疊厚；λ為換向元件的等效比磁導(dǎo)；A為線負(fù)荷；V2為電樞表面線速度；Baq為電樞反應(yīng)在換向區(qū)磁密;f為電源頻率；Φd為氣隙磁通。
在上述公式中，改善換向措施有多種，如增大氣隙、增加每槽并列元件數(shù)、減少元件匝數(shù)、選合適的碳刷材料和合適寬度、壓力、換向器材料等，這些方案在電機(jī)生產(chǎn)前已完善。在電機(jī)生產(chǎn)中可改變的還有三項(xiàng)措施：增大匝比、與換向片掛線超前、逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)碳刷。但這三項(xiàng)措施都會(huì)不同程度降低電機(jī)效率，但為盡量達(dá)到高效目的，應(yīng)合理選用。飛利浦電機(jī)采取了最有效的后二項(xiàng)，與換向片掛線超前8。、逆轉(zhuǎn)向移動(dòng)碳刷2。，產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)電勢(shì)e。抵消e。和e。。雖電機(jī)效率略降1％左右，但壽命測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間達(dá)500 h~2上。
(4)風(fēng)最減小，電機(jī)負(fù)載減小，減小了困振動(dòng)、沖擊和轉(zhuǎn)子不平衡等不利因素。電機(jī)進(jìn)風(fēng)口采用塑料套圈，作用相當(dāng)于硅膠密封，但效率略低，測(cè)得電機(jī)效率38％，裝入吸塵器效率31％。
筆者針對(duì)以上情況采取的改進(jìn)措施是在動(dòng)葉輪進(jìn)風(fēng)部改成弧面設(shè)計(jì)，風(fēng)量略增，轉(zhuǎn)速降低l O00r／min。電機(jī)效率略有提高，其他眭能未變。
參考飛利浦吸塵器電機(jī)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，我們對(duì)采用改進(jìn)措施制作的電機(jī)(全部采用國(guó)產(chǎn)配件)進(jìn)行了綜合測(cè)試，結(jié)果如表4所示。
綜上所述，使用目前國(guó)內(nèi)材料和工藝完全可以達(dá)到和超過(guò)國(guó)外先進(jìn)吸塵器電機(jī)的質(zhì)量水平。 珍珠港現(xiàn)代化中的減速器多數(shù)美國(guó)人認(rèn)可二戰(zhàn)中珍珠港處于舉足輕重的地位，而今天人們驚奇地發(fā)現(xiàn)珍珠港已成為美國(guó)本土到太平洋艦隊(duì)最忙碌的港口。該軍事基地每年進(jìn)出港的艦艇多達(dá)65 000艘，運(yùn)送200萬(wàn)人員和20萬(wàn)輛各種車(chē)輛。為加速珍珠港的現(xiàn)代化，美國(guó)海軍于2009年年初開(kāi)始重新裝修大干塢并升級(jí)其鉸盤(pán)——將船舶拖人干塢的強(qiáng)力鉸盤(pán)。美國(guó)海軍委托schoelJ Hom AIbrechf公司研制16個(gè)新鉸盤(pán)。為此該公司又挑選了美國(guó)Bo血gltoli公司為其研制的一種小型強(qiáng)力行星減速器。三臺(tái)用于退磁的315型減速器選用了29 4 kw的電動(dòng)機(jī)，其齒速比為122：l，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩達(dá)39 600N·m。其余減速器中，三臺(tái)313型減速器則配置18 37kw的電動(dòng)機(jī)，齒速比為346：l，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩33()(]O N·m；而另外十臺(tái)311型減速器則選配了11 02 kw的電動(dòng)機(jī)，齒速比為34l：l，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩19 800 N·m。
據(jù)介紹，這種減速器的****特點(diǎn)是高效率，高效的新型鉸盤(pán)選用更小的電動(dòng)機(jī)便可滿足海軍提出的功率要求：例如，干塢中，電動(dòng)機(jī)尺寸從22 05 kw減至18 37 kw，而且它的沖擊負(fù)載和撞擊現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，所有設(shè)計(jì)的元件也可以滿足劇烈工況時(shí)的要求。另外這種減速器的配置方式多樣化，能為客戶(hù)提供多種安裝、齒輪布置、輸出軸和電動(dòng)機(jī)接口選擇。在這種情況下，它們是具有電動(dòng)機(jī)水平安裝的右角度減速器，此時(shí)元件為帶水平安裝式電動(dòng)機(jī)的直角減速器。
帶有GUl的可編程傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
美國(guó)H町don Kerk開(kāi)發(fā)的一款步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種可通過(guò)GuI完全編程的集成元件，包括直線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電子驅(qū)動(dòng)和控制器，它利用顯示屏上的按鈕來(lái)實(shí)施傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的編程，取代了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特定編程語(yǔ)言。當(dāng)用戶(hù)輸入傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件號(hào)時(shí)，GuI能自動(dòng)構(gòu)建電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。只要在軟件計(jì)算的安全范圍內(nèi)自動(dòng)填充值均可被調(diào)整。
標(biāo)繪器可以顯示距離、速度、加速和減速等的移動(dòng)圖像資料。一種交互式調(diào)試器可以尋找程序故障，用戶(hù)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，讓其一次執(zhí)行一個(gè)程序行或一排執(zhí)行多行。另外它還具有可編程相電流控制功能(包括在加速、減速、線性變化時(shí)提高相電流)，單向電源電壓自12～42 v(Dc)，8檔光隔離通用數(shù)字L／O。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有被控制、非被控制和表面直線版本，而所有版本的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均有單段鐵心長(zhǎng)度和雙段鐵心長(zhǎng)度兩種。
扁平型電動(dòng)機(jī)
美國(guó)Maxon公司研制的Ec9 2扁平型電動(dòng)機(jī)外形僅審10 mm×12．5 mm，額定轉(zhuǎn)矩O 83 mN·m，失速轉(zhuǎn)矩為l 29 mN·m。電動(dòng)機(jī)外徑為10 mm，包括其保護(hù)罩，電動(dòng)機(jī)安裝時(shí)可用于輔助安裝。電動(dòng)機(jī)選用8極釹永磁體和預(yù)負(fù)荷滾珠軸承，它町以配置或不配置霍爾傳感器。該電動(dòng)機(jī)僅適用于空間狹小的醫(yī)療設(shè)備。
高性能無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)
美國(guó)BEI生產(chǎn)的23號(hào)高性能元刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼和轉(zhuǎn)軸均采用定制加工。它采用標(biāo)準(zhǔn)的高轉(zhuǎn)矩密度設(shè)計(jì)ccP／NI)IH23 30 BFNA)，在轉(zhuǎn)速為200O r／min時(shí)傳遞的連續(xù)功率接近0 735 kw。電動(dòng)機(jī)外形尺寸為58 4 mm×76 2 mm，運(yùn)行效率大于85％：該電動(dòng)機(jī)適用于一種石膏：拆除能減少兒科病人創(chuàng)傷的系統(tǒng)。
美國(guó)M珀west公司生產(chǎn)的MMP D33 12VGP81—308直流齒輪電動(dòng)機(jī)能使用包括電池電源在內(nèi)的任意12 V(Dc)電源，電動(dòng)機(jī)外形為81 mm×254 mm，帶鍵的輸出軸為19mm×40mm。4個(gè)M6面裝置孔等分在直徑65 mm的圓周，安裝方便。這種能換向的齒輪電動(dòng)機(jī)在10 r／mm時(shí)的額定連續(xù)轉(zhuǎn)矩為148 8 N-m，峰值轉(zhuǎn)矩233 6 N·m。12 V(Dc)時(shí)僅需2l A便可產(chǎn)生滿載轉(zhuǎn)矩，24 V、36 V、48 V、60：V和90 V電動(dòng)機(jī)繞組防護(hù)等級(jí)為IP54，可以在惡劣環(huán)境中運(yùn)行。為r改變齒輪電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可選用MMP25A 12V或M蚴)20A一12V—RsP速度控制。
特殊電動(dòng)機(jī)
美國(guó)w·ttens婦公司研制的一款特殊電動(dòng)機(jī)的使用范圍超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。該電動(dòng)機(jī)可滿足形式、功能和環(huán)境等方面的特殊場(chǎng)合要求，比如****清潔室(宇宙飛船裝配工序和醫(yī)院)、超高真空、極端溫度和輻射環(huán)境。
石墨換向電動(dòng)機(jī)
美崮Mi㈣o公司研制的小型(37 mm×22 mm) FauIhaber 2237cxR系列直流微型電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)矩為11 1mN·m。這種石墨換向電動(dòng)機(jī)采用sc2804轉(zhuǎn)速控制器或McDc3006運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和定位控制。電動(dòng)機(jī)有各種帶直徑相匹配的從屬齒輪傳動(dòng)裝置和三通道編碼器的附件，它還具有無(wú)鐵心轉(zhuǎn)子(無(wú)齒槽效應(yīng)／優(yōu)選轉(zhuǎn)子定位)，無(wú)鐵耗、電流消耗低、起動(dòng)電壓低，快速加速和制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子慣量低等特性，并能進(jìn)行轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩的
精確控制，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，功率／體積比比其它直流電動(dòng)機(jī)高。它還有高精度齒輪箱和反饋元件，該系列電動(dòng)機(jī)均可配控制電子元器件。
微型光學(xué)編碼器
美國(guó)M·cr。E公司為滿足下一代高精度制造、檢測(cè)、計(jì)量和醫(yī)療設(shè)備的要求，研制了一款MeKurvⅡ5000微型高分辨率光學(xué)編碼器。它的短程精度達(dá)±20 mm(循環(huán)誤差)，可編程直線分辨率自5¨m～1 2 nm，而2軸的可編程插值旋轉(zhuǎn)公差為±2。，而行程高度公差±O 15 mm。利用一種新型A一象限一B輸出提供速度可達(dá)5 rn／s，分辨率O 1 rm，而****速度達(dá)lO瑚／s。采用粘結(jié)固定的密帶尺刻度系統(tǒng)可以控制任何場(chǎng)合中要求的高度計(jì)量。該系統(tǒng)可使安裝人員從卷帶上切割所需長(zhǎng)度，粘結(jié)底板和使用工具完成其他任務(wù)。直線玻璃刻度尺將高精度要求控制在±lm。該編碼器的定位指示器屬雙向，各種速度時(shí)的重復(fù)精度為l
LsB，而它的故障防止和左右的光學(xué)限止也提升了安全性，減少了電纜布線。 |
