基于avr無刷直流電動機控制器的設計

1、92第28卷第9期2006年9月現(xiàn)代雷達Modern RadarSeptemier2006電源技術基于AVR無刷直流電動機控制器的設計8劉啟新,宋榮剛(南京工程學院自動化系,南京210013【摘要】用AVR單片機作為無刷直流電動機的控制器,通過改變控制字的發(fā)送順序以及調節(jié)PWM波的占空比,實現(xiàn)了電機的正反轉和速度控制功能,主要針對無刷直流電動機組成中的主電路、驅動電路、位置信號檢測電路進行了介紹,并給出了相應的硬件電路和軟件設計流程圖?！娟P鍵詞】無刷直流電動機;AVR單片機;PWM中圖分類號:TM33文獻標識碼:ADesign of Brushless DCMotor Controller B

2、ased on AVRLIU Qixin,SONG Ronggang(Automation Dep.Nanjing Institute of TechnologyI Nanjing210013,China【Abstract】In this paper,the AVR single chip is used as the controller of the brushless DC motor-driven system。and real-izing the functions of bidirectional rotation and velocitymodulation control th

3、rough changing the control word transmission order and modulating the duty-ratio of PWM wave.The control circuit of brushless direct current motor mainly focuses on the design for the main circuit,driven circuit and the position signal detecting circuit-and sives the corresponding hardware circuit a

4、nd the flow chart of software.【Key words】brushless direct current motor;AVR single chip;PWM0引言無刷直流電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便,又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗、調速性能好等優(yōu)點,目前廣泛應用于家用電器,電動助力車,航空航天等領域。而AVR 單片機是由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash 的RISC(Reduced Instruction Set,CPU精簡指令集高速8位單片機,支持高級語言的在線編程心J。用c語言進行系統(tǒng)的開發(fā),具有匯編語言編程所不可比擬的優(yōu)

5、勢:(1可以大幅度加快開發(fā)速度,特別是開發(fā)一些復雜的系統(tǒng),程序量越大,用C語言就越有優(yōu)勢;(2無需精通單片機指令集和具體的硬件也能夠編寫出符合硬件要求的程序;(3可以實現(xiàn)軟件的結構化編程,它使得軟件的邏輯結構變得清晰、有條理,便于項目的分組開發(fā),進行分工合作31。本文本著電動機出力大、轉矩脈動平穩(wěn)的原則,結合近年來在無刷直流電動機領域中的成果和經(jīng)驗,設收稿日期:2006-06-19修訂日期:2006-08.10計了一款基于AVR單片機的無刷直流電動機驅動系統(tǒng),對其中的轉子位置檢測電路、驅動電路、過流保護電路等內(nèi)容進行了介紹,并給出了相應的軟件流程圖。1總體設計方案無刷直流電動機(Brushle

6、ss Direct Current Motor, BLDCM是一種典型的機電一體化產(chǎn)品,它是由電動機本體、位置檢測器、電子開關和控制器等組成。位置檢測器檢測轉子磁極的位置信號,控制器對轉子位置信號進行邏輯處理并產(chǎn)生相應的開關信號,開關信號以一定的順序觸發(fā)電子開關中的功率開關器件,將電源的功率按一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組,使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩【41。因此,無刷直流控制器的設計,關鍵是根據(jù)位置信號確定電子開關的通斷順序和通斷時間。采用AVR 單片機組成的無刷直流電動機如圖1所示。2控制器主要硬件電路的設計2.1控制器主電路的設計控制器主電路如圖2所示。主電路的電子開關管第9期劉啟

7、新,等:基于AVR無刷直流電動機控制器的設計93 l過蝴蚴卜PD2(INT0菅PC5 0醫(yī)亟乎一ATMegal6L匝卜=圖1單片機控制無刷直流電動機原理圖采用二二導通的控制方式。二二導通方式是指在任一瞬間使兩個開關管同時導通,這種工作方式稱作兩相導通星形三相六狀態(tài)方式,電動機的瞬時電磁轉矩可由電樞繞組的電磁功率求得乙:絲蘭燁(11“Q”7式中:eo、e6、e。為A、日、c三相繞組的反電動勢;i。、ii。為A、B,C三相繞組的電流;Q為轉子的機械角速度。+24V當J甲1 5111l 蘭糾甲耶51|1裟l嘲銣扦2SAhLING圖2控制器主電路圖由式(1可見,電磁轉矩取決于反電動勢的大小。在一定的轉

8、速下,如果電流一定,反電動勢越大,轉矩越大。圖3給出了無刷直流電動機三相繞組的反電動勢波形及其二二導通方式下的開關管導通規(guī)律。為了使電動機獲得最大轉矩,在二二導通方式下,開關管的導通順序應為:VTl、嘎-嘎、嘎一隅、嘿_+%、億_阢、睨_吃、隅。在這種工作方式下,每個周期共有六種導通狀態(tài),每隔60。電角度工作狀態(tài)改變一次,每個開關管導通1200電角度。由此可見,如果忽略換相過程的影響,當梯行波反電動勢的平頂寬度大于等于120。電角度時,電動機的轉矩脈動為0。同時,如果假定電流為平頂波,電動機工作在兩相導通星形三相六狀態(tài)方式時,總的電磁轉矩是每相電磁轉矩的兩倍。因此其二二導通的控制方式具有使電機

9、出力大,轉矩脈動平穩(wěn)的優(yōu)點引。圖3三相繞組的反電動勢波形及其二二導通方式下的導通規(guī)律為了驅動六個N溝道MOSFET,設計了專門的驅動電路,驅動電路如圖4所示。電路中采用IR2103驅動同一橋臂上的兩個電子開關管,避免了產(chǎn)生同一橋臂上兩個電子開關管直通的危害。UtUbPHASBA圖4三相橋式主電路驅動電路的原理圖2.2控制器過流檢測電路的設計為了防止電動機起動、過流、過載或異常運行時,大電流對控制電路、功率逆變器和電動機本體造成損害,設計了過電流檢測電路。通過在主電路上串聯(lián)一個采樣電阻,將采樣電阻兩端電壓與設定的電壓進行比較來確定主電路電流是否過流,過流信號送至單片機的中斷引腳,執(zhí)行過流保護子程

10、序。圖5為過流檢測電路,電動機正常工作情況下,比較器LM358輸出為低電平,三極管的基極沒有電壓不會導通,Short Current為高電平(電動機正常工作時的狀態(tài)。如電動機負載突然增大,通過電動機繞組的電流增大、那么SAMPLING的值就增大,如果它增大到一定值(大于其本身的1.8倍,則比較器LM358輸出為高電平,三極管導通,則Short Current為低電平,觸發(fā)單片機中斷。 現(xiàn)代雷達28卷3控制器軟件的設計系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)的控制功能,其主程序主要完成AVR單片機的初始化、系統(tǒng)的自檢、報警、信號處理等功能,其程序流程圖見圖6所示。圖5控制系統(tǒng)過流檢測電路原理圖圖6系統(tǒng)主程序流程圖無

11、刷直流電動機的正常運轉靠控制器發(fā)送正確的控制字,控制字是根據(jù)位置信號確定的,三相位置信號的控制字決定六個開關管的導通狀態(tài)。表1列出了電動機順時針旋轉時,各相繞組通電順序和位置信號控制邏輯關系。位置信號檢測子程序流程圖如圖7所示。圖7位置檢測程序流程圖表l順時針旋轉時繞組通電順序和位置信號控制邏輯工作狀態(tài)IVH100011%111000鞏0011l0導通相AB AC BC BA CA CB 導通管子啊瓦刀。峨嘎%嘎嘎嘿嘿嘎仇速度調節(jié)是無刷直流電動機控制器中不可缺少的一部分,本文設計的速度控制子程序流程圖如圖8所示。讀取速度給定值l滴節(jié)PwM的占空比I輸出相應的PWM波l返回圖8速度調節(jié)子程序流程

12、圖4結語文中采用AVR構成的無刷直流電動機控制器,充分利用了AVR單片機的優(yōu)點,大大節(jié)省了硬件資源,具有高靈敏度、高可靠性的優(yōu)點,只要對控制器的軟件稍加改造,就可以實現(xiàn)無刷直流電動機在不同場合的應用。參考文獻2345丁志剛,無刷直流電動機的研究和發(fā)展進展J.微機電,2003,33(1:2930.丁化成,耿德根,李君凱.AVR單片機應用設計M.北京:北京航空航天大學出版社,2002.沈文,詹衛(wèi)前.E珥e lee.AVR單片機c語言開發(fā)入門指導M.北京:清華大學出版社,2003.張琛.直流無刷電動機原理及應用(第2版M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.鄭吉,李學普.無刷直流電動機控制技術綜述J.微

13、機電,2002,(3:11一13.劉啟新女,1957年生,副教授。研究方向為電機與拖動及伺服控制系統(tǒng)。宋榮剛男,1982年生,助理工程師。研究方向為計算機控制系統(tǒng)等。 基于AVR無刷直流電動機控制器的設計作者:劉啟新, 宋榮剛, LIU Qi-xin, SONG Rong-gang作者單位:南京工程學院自動化系,南京,210013刊名: 現(xiàn)代雷達英文刊名:MODERN RADAR年,卷(期:2006,28(9引用次數(shù):4次參考文獻(5條1.丁志剛無刷直流電動機的研究和發(fā)展進展 2003(14.張琛直流無刷電動機原理及應用 2004相似文獻(7條針對無刷直流電動機的結構特點與控制要求,設計了基于

14、專用芯片MC33035和MC33039的無刷直流電動機控制器.通過研究發(fā)現(xiàn),對控制信號中的轉速信號進行預處理可以提高控制器的轉速控制精度.于是,采用AVR單片機ATmega48對控制信號進行預處理,同時使控制操作更為安全.相對于完全使用微處理器或數(shù)字信號處理器的控制方案,此方案可以簡化軟件的設計與調試,并且降低成本.實驗結果表明,轉速控制精確.該控制器實現(xiàn)了高性價比,可以廣泛地應用于無刷電動機控制領域.2.學位論文葛永強基于AVR單片機的伺服電機系統(tǒng)研究2007隨著半導體技術的飛速發(fā)展,具有圖像功能的電力控制系統(tǒng)應用越來越多。在很多領域中都需要基于對當前目標的圖像信息進行采樣分析,從而控制電力

15、傳動系統(tǒng)的動作,對目標進行處理。隨著圖像采集中CMOS傳感器的不斷發(fā)展以及單片機和專用電動機控制集成芯片的廣泛應用,它的應用范圍也將十分廣泛。 本課題采用ATMEL公司系列單片機ATmega8以及ST MICROELECTRONICS公司的L6235構成控制電路,以無刷直流電機作為執(zhí)行機構,兼顧成本與性能要求,做了以下方面的工作: 首先,從實際要求與理論基礎結合簡述了本實驗圖像處理的方法。 其次,在理論基礎上對系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構-無刷直流電機的特性進行了研究: 另外,根據(jù)AVR單片機以及無刷直流電動機的專用控制芯片L6235的特點詳細設計了系統(tǒng)的控制策略,包括硬件電路的設計制造,軟件的編制等。

16、在此之中最為重要的是我們結合主控電路與實際現(xiàn)場的要求從硬件與軟件兩個方面設計了電機位置檢測電路。通過自制光電碼盤與單片機的計數(shù)器功能相結合實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制,得到了較好的控制效果。 最后,我們完整的制作了實驗樣機,并且通過實驗室觀測及實地運行,驗證了系統(tǒng)運行的可行性。 由此得出結論:本課題設計的基于圖像處理的電機控制系統(tǒng)具有運行性能良好,可靠性高,升級換代容易的特點,為后續(xù)的研究工作以及正式應用于實踐當中提供了一定的基礎。2006,35(23以AVR單片機作為電動助力車電機驅動系統(tǒng)的控制芯片,介紹了電動助力車無刷直流電動機驅動系統(tǒng)的組成,通過調節(jié)PWM波的占空比實現(xiàn)電動機的速度控制.提出

17、了電動機在起動、過載以及非正常運行時可能會出現(xiàn)的過流以及電池欠電壓,而采用的過流檢測及保護方法,用比較器的輸出控制晶體管導通來觸發(fā)AVR中斷,執(zhí)行中斷保護程序.2006,19(4子元器件2005(5介紹了一種以AVR單片機ATmega8為主控芯片的新型電動自行車調速控制系統(tǒng)的設計方案,給出了系統(tǒng)的硬件構成和軟件設計方法.實驗證明:該系統(tǒng)性能可靠、成本較低,是一種實用的無刷直流電動機調速系統(tǒng).6.學位論文鄒喜電動摩托車無刷直流驅動電機的控制方法2007電動摩托車具有零排放、低噪聲等優(yōu)點,是真正的綠色環(huán)保輕型交通工具,它以方便j快捷等特點被越來越多的人們所接受,成為大中城市公共交通的理想補充。而無

18、刷直流電動機以其控制簡單、可靠性高、輸出轉矩大等優(yōu)點,被大量地用作電動摩托車驅動電機。本文主要研究基于AVR單片機的電動摩托車控制技術。 首先,分析了電動摩托車的發(fā)展趨勢,以及無刷直流電動機能在電動摩托車驅動領域得到廣泛應用的原因,并探討了電動摩托車無刷直流驅動電機的控制方法。 其次,在分析無刷直流電動機工作原理的基礎上,構造了無刷直流電動機的數(shù)學模型,確立了通過PWM調節(jié)改變電樞電壓的大小來調節(jié)轉速的控制策略。 第三,采用ATMEL公司的ATmega88單片機為控制核心,設計了包括電流檢測與保護、位置信號檢測、功率開關管驅動、電源轉換和電壓采樣與欠壓保護等一系列硬件電路,充分利用了ATmega88單片機成本低、功能豐富、運算能力強等優(yōu)點,簡化了控制電路,提高了控制系統(tǒng)的可靠性,降低了控制成本。 第四,采用C語言編寫了控制程序,完善了控制功能,實現(xiàn)了軟、硬件控制方法的結合。使用ICC-AVR集成開發(fā)環(huán)境和SL-ISP在線編程,降低了開發(fā)成本;采用模塊化設計方法設計控制程序,提高了程序的可維護性。完成的功能模塊主要包括啟動與換相模塊、電動機轉速調節(jié)模塊、過電流與堵轉保護模塊、欠電壓保護模塊和定速巡航模塊等。 最后,對開發(fā)的控制系統(tǒng)進行了調試,并對實驗結果進行了分析。結果表明,控制系統(tǒng)運行可靠、實時性好,證明A