基于avr無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)_圖文

1、92第28卷第9期2006年9月現(xiàn)代雷達(dá)Modern RadarV01.28No.9Septemier2006電源技術(shù)基于AVR無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)8劉啟新,宋榮剛(南京工程學(xué)院自動(dòng)化系,南京210013【摘要】用AVR單片機(jī)作為無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器,通過改變控制字的發(fā)送順序以及調(diào)節(jié)PWM波的占空比,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度控制功能,主要針對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)組成中的主電路、驅(qū)動(dòng)電路、位置信號(hào)檢測(cè)電路進(jìn)行了介紹,并給出了相應(yīng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程圖?！娟P(guān)鍵詞】無刷直流電動(dòng)機(jī);AVR單片機(jī);PWM中圖分類號(hào):TM33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of Brushless DCMotor Co

2、ntroller Based 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

3、control through 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

4、 circuit and the flow chart of software.【Key words】brushless direct current motor;AVR single chip;PWM0引言無刷直流電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便,又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于家用電器,電動(dòng)助力車,航空航天等領(lǐng)域。而AVR 單片機(jī)是由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash 的RISC(Reduced Instruction Set,CPU精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī),支持高級(jí)語(yǔ)言的在線編程心J。用c語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā),具有匯編語(yǔ)

5、言編程所不可比擬的優(yōu)勢(shì):(1可以大幅度加快開發(fā)速度,特別是開發(fā)一些復(fù)雜的系統(tǒng),程序量越大,用C語(yǔ)言就越有優(yōu)勢(shì);(2無需精通單片機(jī)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(shí)現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程,它使得軟件的邏輯結(jié)構(gòu)變得清晰、有條理,便于項(xiàng)目的分組開發(fā),進(jìn)行分工合作31。本文本著電動(dòng)機(jī)出力大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平穩(wěn)的原則,結(jié)合近年來在無刷直流電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的成果和經(jīng)驗(yàn),設(shè)收稿日期:2006-06-19修訂日期:2006-08.10計(jì)了一款基于AVR單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),對(duì)其中的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、過流保護(hù)電路等內(nèi)容進(jìn)行了介紹,并給出了相應(yīng)的軟件流程圖。1總體設(shè)計(jì)方案無刷直流電

6、動(dòng)機(jī)(Brushless Direct Current Motor, BLDCM是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、電子開關(guān)和控制器等組成。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào),控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào),開關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)電子開關(guān)中的功率開關(guān)器件,將電源的功率按一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩【41。因此,無刷直流控制器的設(shè)計(jì),關(guān)鍵是根據(jù)位置信號(hào)確定電子開關(guān)的通斷順序和通斷時(shí)間。采用AVR 單片機(jī)組成的無刷直流電動(dòng)機(jī)如圖1所示。2控制器主要硬件電路的設(shè)計(jì)2.1控制器主電路的設(shè)計(jì)控制器主電路如圖2所示。主電路的

7、電子開關(guān)管第9期劉啟新,等:基于AVR無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)93 l過蝴蚴卜PD2(INT0菅PC5 0醫(yī)亟乎一ATMegal6L匝卜=圖1單片機(jī)控制無刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖采用二二導(dǎo)通的控制方式。二二導(dǎo)通方式是指在任一瞬間使兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通,這種工作方式稱作兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式,電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)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(dòng)勢(shì);i。、ii。為A、B,C三相繞組的電流;Q為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。+24V當(dāng)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(zhuǎn)矩取決于反電動(dòng)

8、勢(shì)的大小。在一定的轉(zhuǎn)速下,如果電流一定,反電動(dòng)勢(shì)越大,轉(zhuǎn)矩越大。圖3給出了無刷直流電動(dòng)機(jī)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的開關(guān)管導(dǎo)通規(guī)律。為了使電動(dòng)機(jī)獲得最大轉(zhuǎn)矩,在二二導(dǎo)通方式下,開關(guān)管的導(dǎo)通順序應(yīng)為:VTl、嘎-嘎、嘎一隅、嘿_+%、億_阢、睨_吃、隅。在這種工作方式下,每個(gè)周期共有六種導(dǎo)通狀態(tài),每隔60。電角度工作狀態(tài)改變一次,每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通1200電角度。由此可見,如果忽略換相過程的影響,當(dāng)梯行波反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度大于等于120。電角度時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為0。同時(shí),如果假定電流為平頂波,電動(dòng)機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時(shí),總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。因此其二二導(dǎo)通

9、的控制方式具有使電機(jī)出力大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)引。圖3三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形及其二二導(dǎo)通方式下的導(dǎo)通規(guī)律為了驅(qū)動(dòng)六個(gè)N溝道MOSFET,設(shè)計(jì)了專門的驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。電路中采用IR2103驅(qū)動(dòng)同一橋臂上的兩個(gè)電子開關(guān)管,避免了產(chǎn)生同一橋臂上兩個(gè)電子開關(guān)管直通的危害。UtUbPHASBA圖4三相橋式主電路驅(qū)動(dòng)電路的原理圖2.2控制器過流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)為了防止電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、過流、過載或異常運(yùn)行時(shí),大電流對(duì)控制電路、功率逆變器和電動(dòng)機(jī)本體造成損害,設(shè)計(jì)了過電流檢測(cè)電路。通過在主電路上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻,將采樣電阻兩端電壓與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較來確定主電路電流是否過流,過流信號(hào)送至單片機(jī)的中斷引

10、腳,執(zhí)行過流保護(hù)子程序。圖5為過流檢測(cè)電路,電動(dòng)機(jī)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(huì)導(dǎo)通,Short Current為高電平(電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的狀態(tài)。如電動(dòng)機(jī)負(fù)載突然增大,通過電動(dòng)機(jī)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(dǎo)通,則Short Current為低電平,觸發(fā)單片機(jī)中斷。 現(xiàn)代雷達(dá)28卷3控制器軟件的設(shè)計(jì)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(jī)的初始化、系統(tǒng)的自檢、報(bào)警、信號(hào)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(cè)電路原理圖圖

11、6系統(tǒng)主程序流程圖無刷直流電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)靠控制器發(fā)送正確的控制字,控制字是根據(jù)位置信號(hào)確定的,三相位置信號(hào)的控制字決定六個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)。表1列出了電動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí),各相繞組通電順序和位置信號(hào)控制邏輯關(guān)系。位置信號(hào)檢測(cè)子程序流程圖如圖7所示。圖7位置檢測(cè)程序流程圖表l順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)繞組通電順序和位置信號(hào)控制邏輯工作狀態(tài)IVH100011%111000鞏0011l0導(dǎo)通相AB AC BC BA CA CB 導(dǎo)通管子啊瓦刀。峨嘎%嘎嘎嘿嘿嘎仇速度調(diào)節(jié)是無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器中不可缺少的一部分,本文設(shè)計(jì)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(yīng)的PWM波l返回圖

12、8速度調(diào)節(jié)子程序流程圖4結(jié)語(yǔ)文中采用AVR構(gòu)成的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器,充分利用了AVR單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn),大大節(jié)省了硬件資源,具有高靈敏度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn),只要對(duì)控制器的軟件稍加改造,就可以實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)在不同場(chǎng)合的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)2345丁志剛,無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和發(fā)展進(jìn)展J.微機(jī)電,2003,33(1:2930.丁化成,耿德根,李君凱.AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.沈文,詹衛(wèi)前.E珥e lee.AVR單片機(jī)c語(yǔ)言開發(fā)入門指導(dǎo)M.北京:清華大學(xué)出版社,2003.張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用(第2版M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.鄭吉,李學(xué)普.無刷直流電動(dòng)

13、機(jī)控制技術(shù)綜述J.微機(jī)電,2002,(3:11一13.劉啟新女,1957年生,副教授。研究方向?yàn)殡姍C(jī)與拖動(dòng)及伺服控制系統(tǒng)。宋榮剛男,1982年生,助理工程師。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。 基于AVR無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)作者:劉啟新, 宋榮剛, LIU Qi-xin, SONG Rong-gang作者單位:南京工程學(xué)院自動(dòng)化系,南京,210013刊名: 現(xiàn)代雷達(dá)英文刊名:MODERN RADAR年,卷(期:2006,28(9引用次數(shù):4次參考文獻(xiàn)(5條1.丁志剛無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和發(fā)展進(jìn)展 2003(12.丁化成.耿德根.李君凱AVR單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) 20023.沈文.詹衛(wèi)前Eagle l

14、ee.AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開發(fā)入門指導(dǎo) 20034.張琛直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用 20045.鄭吉.李學(xué)普無刷直流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)綜述 2002(3相似文獻(xiàn)(7條1.期刊論文吳炯洋.謝劍英.WU Jiong-yang.XIE Jian-ying無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)-控制工程2008,15(6針對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與控制要求,設(shè)計(jì)了基于專用芯片MC33035和MC33039的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器.通過研究發(fā)現(xiàn),對(duì)控制信號(hào)中的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理可以提高控制器的轉(zhuǎn)速控制精度.于是,采用AVR單片機(jī)ATmega48對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,同時(shí)使控制操作更為安全.相對(duì)于完全使用微處理器或數(shù)字信號(hào)處理

15、器的控制方案,此方案可以簡(jiǎn)化軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試,并且降低成本.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)速控制精確.該控制器實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比,可以廣泛地應(yīng)用于無刷電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域.2.學(xué)位論文葛永強(qiáng)基于AVR單片機(jī)的伺服電機(jī)系統(tǒng)研究2007隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,具有圖像功能的電力控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越多。在很多領(lǐng)域中都需要基于對(duì)當(dāng)前目標(biāo)的圖像信息進(jìn)行采樣分析,從而控制電力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作,對(duì)目標(biāo)進(jìn)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(jī)和專用電動(dòng)機(jī)控制集成芯片的廣泛應(yīng)用,它的應(yīng)用范圍也將十分廣泛。 本課題采用ATMEL公司系列單片機(jī)ATmega8以及ST MICROELECTRONICS公司的L6235構(gòu)成控制

16、電路,以無刷直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),兼顧成本與性能要求,做了以下方面的工作: 首先,從實(shí)際要求與理論基礎(chǔ)結(jié)合簡(jiǎn)述了本實(shí)驗(yàn)圖像處理的方法。 其次,在理論基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)-無刷直流電機(jī)的特性進(jìn)行了研究: 另外,根據(jù)AVR單片機(jī)以及無刷直流電動(dòng)機(jī)的專用控制芯片L6235的特點(diǎn)詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制策略,包括硬件電路的設(shè)計(jì)制造,軟件的編制等。在此之中最為重要的是我們結(jié)合主控電路與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的要求從硬件與軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了電機(jī)位置檢測(cè)電路。通過自制光電碼盤與單片機(jī)的計(jì)數(shù)器功能相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(shí)驗(yàn)樣機(jī),并且通過實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)及實(shí)地運(yùn)行,驗(yàn)證了系

17、統(tǒng)運(yùn)行的可行性。 由此得出結(jié)論:本課題設(shè)計(jì)的基于圖像處理的電機(jī)控制系統(tǒng)具有運(yùn)行性能良好,可靠性高,升級(jí)換代容易的特點(diǎn),為后續(xù)的研究工作以及正式應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中提供了一定的基礎(chǔ)。3.期刊論文劉啟新.趙偉軍.LIU Qi-xin.ZHAO Wei-jun基于AVR電動(dòng)助力車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-中國(guó)制造業(yè)信息化2006,35(23以AVR單片機(jī)作為電動(dòng)助力車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制芯片,介紹了電動(dòng)助力車無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成,通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度控制.提出了電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、過載以及非正常運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的過流以及電池欠電壓,而采用的過流檢測(cè)及保護(hù)方法,用比較器的輸出控制晶體管導(dǎo)通來觸發(fā)A

18、VR中斷,執(zhí)行中斷保護(hù)程序.4.期刊論文周磊.方厚善.ZHOU Lei.FANG Hou-shan電動(dòng)摩托車控制系統(tǒng)的研究-鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2006,19(4給出一種以AVR單片機(jī)為主控芯片的新型電動(dòng)摩托車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方法.控制器采取再生制動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)能量回饋.實(shí)驗(yàn)證明:該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本較低,是一種實(shí)用的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng).5.期刊論文駱驕.楊振強(qiáng).LUO Jiao.YANG Zhen-qiang基于ATmega8的新型電動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-國(guó)外電子元器件2005(5介紹了一種以AVR單片機(jī)ATmega8為主控芯片的新型電

19、動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)方法.實(shí)驗(yàn)證明:該系統(tǒng)性能可靠、成本較低,是一種實(shí)用的無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng).6.學(xué)位論文鄒喜電動(dòng)摩托車無刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法2007電動(dòng)摩托車具有零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn),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(diǎn)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(bǔ)充。而無刷直流電動(dòng)機(jī)以其控制簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn),被大量地用作電動(dòng)摩托車驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本文主要研究基于AVR單片機(jī)的電動(dòng)摩托車控制技術(shù)。 首先,分析了電動(dòng)摩托車的發(fā)展趨勢(shì),以及無刷直流電動(dòng)機(jī)能在電動(dòng)摩托車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的原因,并探討了電動(dòng)摩托車無刷直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法。 其次,在分析無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上,構(gòu)造了無刷直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,確立了通過PWM調(diào)節(jié)改變電樞電壓的大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的控制策略。 第三,采用ATMEL公司的ATmega88單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)了包括電流檢測(cè)與保護(hù)、位置信號(hào)檢測(cè)、功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)、電