基于AVR單片機的 無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計 吳耀春，亢鳳林
（安陽工學(xué)院，河南安陽455000)
中圖分類號：TM33 文獻標(biāo)識碼：E
文章編號：1004—70埔(2010)05—0074—0l
0 引言
ATmegal8是ATMEL公司推出的一款A(yù)VR增強型單片機，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單片機為核心無刷直流電機控制系統(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
系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示，它包括一個以A1_m。gal8為核心的單片機控制板，一塊配套的電機控制驅(qū)動板和一臺無刷直流電動機。
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，速度檢測信號的接收和計算處理，電流采集信號接收和轉(zhuǎn)換，速度閉環(huán)和電流閉環(huán)控制算法的執(zhí)行等。
電機控制主要通過對驅(qū)動模塊的控制來實現(xiàn)。利用AT一megal8內(nèi)部集成的3個可實現(xiàn)任意相位和頻率可調(diào)的PwM通道，產(chǎn)生驅(qū)動功率芯片所需的PwM信號，通過速度檢測電路采集驅(qū)動模塊在驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)時TAcH產(chǎn)生的速度脈沖信號，進行電機轉(zhuǎn)速的計算和存儲，作為速度環(huán)的參考信號。利用內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換通道對相電流Iphase進行轉(zhuǎn)換和存儲，作為電流環(huán)的反饋信號。通過單片機的I／0與驅(qū)動模塊的控制接口相連，PBl口輸出電機的起動停止信號，PD6口輸出電機的正反轉(zhuǎn)信號，PB0、PB4、PB5、PB6口輸出組合信號，實現(xiàn)電機不同的緊急制動模式等。通過片上的相應(yīng)引腳和485串行通信模塊與Pc機通信，接收上位機的控制指令。
1.2驅(qū)動模塊電路設(shè)計
驅(qū)動模塊的硬件電路主要由電機驅(qū)動芯片及其外圍電路組成，實現(xiàn)對控制部分傳送過來的驅(qū)動信息進行處理，以此來控制電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速。除此之外，還有電源電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、過流保護電路和緊急制動等輔助電路，以及電機和控制板的接口電路。具體電路如圖2所示。
電機驅(qū)動芯片采用AⅡegr0公司的DMOs三相電機驅(qū)動芯片A3936，它具有集成度高、可靠性好、速度快、過流欠壓及過熱保護、調(diào)試方便等特點。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)速計輸出，交叉電流保護和內(nèi)部欠壓鎖定及過熱關(guān)機電路。
驅(qū)動電路采用+24 V供電，電機的起動和運轉(zhuǎn)由ENA—BLE引腳輸入的PwM信號控制，電機的轉(zhuǎn)動方向由DIR控制，置高，電機正傳，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；10，以48％的速率衰減制動；01，以15％的速率衰減制動；00，慢衰減制動。RFE是一個_口J調(diào)電阻，調(diào)整驅(qū)動電機的保護電流。
2控制策略
理想的無刷直流電動機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(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吸塵器的特點是吸塵器輕巧、低噪聲，使用電機罩空間小，電機��；但吸力要大，勢必功率大，轉(zhuǎn)速升高。
優(yōu)點：電機的機械特性硬，裝人吸塵器壓降少，效率損失少，但轉(zhuǎn)速高；缺點：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，惡化換向，增加火花。另外，高速碳刷和換向器的磨損、振動、沖擊和轉(zhuǎn)子不平衡等急劇增加，又會嚴(yán)重惡化換向，縮短電機壽命。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，電機使用絕緣系統(tǒng)要提高，轉(zhuǎn)子的動平衡精度要提高，配件配合精度提高等。
對于上述缺點，飛利浦吸塵器電機采取下列四項措施。
(1)電機尺寸減小。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、沖擊，減小電抗電勢、電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢，改善換向。電機外殼使用塑料uP GF一12，線包與殼體靠得較近，無鐵殼的爬電距離之憂，碳刷可置于風(fēng)機端，電機的外形尺寸只有西110 mm×110 mm，電機體積縮小16％。
(2)風(fēng)機縮小，換向器外徑減小(程!O mm，比常規(guī)換向器外徑縮小10％)，這可彌補轉(zhuǎn)速高帶來的磨損量加大，以降低線速度，減小電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢；加長碳刷達(dá)38 mm(碳刷加長15％)，使崩扭簧，減短刷架長度，也可減小電機尺寸。
按線速度與轉(zhuǎn)速的公式：
式中：l為周長；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％。
目前國內(nèi)換向器的質(zhì)量水平跟國外比較接近，但換向器的主要結(jié)合體一電木粉原料還是靠進日，用于高速高強度換向器中的樹脂材料國內(nèi)還不適應(yīng)，歐洲料對模具工藝要求高，國內(nèi)較難適用，現(xiàn)多選用日本料，而日本料實際使用時也有一定的局限性，如綜合性能好的日立料CP7010，長時間工作在3600O r／min尚可，電機運轉(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)速吸塵器電機上的運轉(zhuǎn)壽命就會出現(xiàn)呈批量性的縮短。
按上述措施用國產(chǎn)材料做試驗進行對比分析。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的軸線連線重合，位于幾何中性線上)，電機壽命結(jié)果如表3所示。
試驗情況如下：電機開始運行良好，10天后，火花增大，碳刷磨損極快。試驗后發(fā)現(xiàn)電機換問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。
按串勵電機理論，改善換向的方法，就是減少換向元件中的電抗電勢er，電樞反應(yīng)旋轉(zhuǎn)電勢％和旋轉(zhuǎn)電勢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，這些方案在電機生產(chǎn)前已完善。在電機生產(chǎn)中可改變的還有三項措施：增大匝比、與換向片掛線超前、逆轉(zhuǎn)向移動碳刷。但這三項措施都會不同程度降低電機效率，但為盡量達(dá)到高效目的，應(yīng)合理選用。飛利浦電機采取了最有效的后二項，與換向片掛線超前8。、逆轉(zhuǎn)向移動碳刷2。，產(chǎn)生的反向旋轉(zhuǎn)電勢e。抵消e。和e。。雖電機效率略降1％左右，但壽命測試運轉(zhuǎn)時間達(dá)500 h~2上。
(4)風(fēng)最減小，電機負(fù)載減小，減小了困振動、沖擊和轉(zhuǎn)子不平衡等不利因素。電機進風(fēng)口采用塑料套圈，作用相當(dāng)于硅膠密封，但效率略低，測得電機效率38％，裝入吸塵器效率31％。
筆者針對以上情況采取的改進措施是在動葉輪進風(fēng)部改成弧面設(shè)計，風(fēng)量略增，轉(zhuǎn)速降低l O00r／min。電機效率略有提高，其他眭能未變。
參考飛利浦吸塵器電機設(shè)計的優(yōu)點，我們對采用改進措施制作的電機(全部采用國產(chǎn)配件)進行了綜合測試，結(jié)果如表4所示。
綜上所述，使用目前國內(nèi)材料和工藝完全可以達(dá)到和超過國外先進吸塵器電機的質(zhì)量水平。 珍珠港現(xiàn)代化中的減速器多數(shù)美國人認(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)珍珠港已成為美國本土到太平洋艦隊最忙碌的港口。該軍事基地每年進出港的艦艇多達(dá)65 000艘，運送200萬人員和20萬輛各種車輛。為加速珍珠港的現(xiàn)代化，美國海軍于2009年年初開始重新裝修大干塢并升級其鉸盤——將船舶拖人干塢的強力鉸盤。美國海軍委托schoelJ Hom AIbrechf公司研制16個新鉸盤。為此該公司又挑選了美國Bo血gltoli公司為其研制的一種小型強力行星減速器。三臺用于退磁的315型減速器選用了29 4 kw的電動機，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313型減速器則配置18 37kw的電動機，齒速比為346：l，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩33()(]O N·m；而另外十臺311型減速器則選配了11 02 kw的電動機，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****特點是高效率，高效的新型鉸盤選用更小的電動機便可滿足海軍提出的功率要求：例如，干塢中，電動機尺寸從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)計的元件也可以滿足劇烈工況時的要求。另外這種減速器的配置方式多樣化，能為客戶提供多種安裝、齒輪布置、輸出軸和電動機接口選擇。在這種情況下，它們是具有電動機水平安裝的右角度減速器，此時元件為帶水平安裝式電動機的直角減速器。
帶有GUl的可編程傳動機構(gòu)
美國H町don Kerk開發(fā)的一款步進電動機直線傳動機構(gòu)是一種可通過GuI完全編程的集成元件，包括直線傳動機構(gòu)、電子驅(qū)動和控制器，它利用顯示屏上的按鈕來實施傳動機構(gòu)的編程，取代了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特定編程語言。當(dāng)用戶輸入傳動機構(gòu)部件號時，GuI能自動構(gòu)建電動機和驅(qū)動器參數(shù)。只要在軟件計算的安全范圍內(nèi)自動填充值均可被調(diào)整。
標(biāo)繪器可以顯示距離、速度、加速和減速等的移動圖像資料。一種交互式調(diào)試器可以尋找程序故障，用戶向驅(qū)動器發(fā)出指令，讓其一次執(zhí)行一個程序行或一排執(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。該傳動機構(gòu)有被控制、非被控制和表面直線版本，而所有版本的傳動機構(gòu)均有單段鐵心長度和雙段鐵心長度兩種。
扁平型電動機
美國Maxon公司研制的Ec9 2扁平型電動機外形僅審10 mm×12．5 mm，額定轉(zhuǎn)矩O 83 mN·m，失速轉(zhuǎn)矩為l 29 mN·m。電動機外徑為10 mm，包括其保護罩，電動機安裝時可用于輔助安裝。電動機選用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。該電動機僅適用于空間狹小的醫(yī)療設(shè)備。
高性能無刷直流電動機
美國BEI生產(chǎn)的23號高性能元刷直流電動機的機殼和轉(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ccP／NI)IH23 30 BFNA)，在轉(zhuǎn)速為200O r／min時傳遞的連續(xù)功率接近0 735 kw。電動機外形尺寸為58 4 mm×76 2 mm，運行效率大于85％：該電動機適用于一種石膏：拆除能減少兒科病人創(chuàng)傷的系統(tǒng)。
美國M珀west公司生產(chǎn)的MMP D33 12VGP81—308直流齒輪電動機能使用包括電池電源在內(nèi)的任意12 V(Dc)電源，電動機外形為81 mm×254 mm，帶鍵的輸出軸為19mm×40mm。4個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機在10 r／mm時的額定連續(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電動機繞組防護等級為IP54，可以在惡劣環(huán)境中運行。為r改變齒輪電動機的轉(zhuǎn)速，可選用MMP25A 12V或M蚴)20A一12V—RsP速度控制。
特殊電動機
美國w·ttens婦公司研制的一款特殊電動機的使用范圍超過了標(biāo)準(zhǔn)無刷直流電動機的應(yīng)用范圍。該電動機可滿足形式、功能和環(huán)境等方面的特殊場合要求，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。
石墨換向電動機
美崮Mi㈣o公司研制的小型(37 mm×22 mm) FauIhaber 2237cxR系列直流微型電動機連續(xù)轉(zhuǎn)矩為11 1mN·m。這種石墨換向電動機采用sc2804轉(zhuǎn)速控制器或McDc3006運動控制器來實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)速控制和定位控制。電動機有各種帶直徑相匹配的從屬齒輪傳動裝置和三通道編碼器的附件，它還具有無鐵心轉(zhuǎn)子(無齒槽效應(yīng)／優(yōu)選轉(zhuǎn)子定位)，無鐵耗、電流消耗低、起動電壓低，快速加速和制動時轉(zhuǎn)子慣量低等特性，并能進行轉(zhuǎn)速、位置、轉(zhuǎn)矩的
精確控制，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，功率／體積比比其它直流電動機高。它還有高精度齒輪箱和反饋元件，該系列電動機均可配控制電子元器件。
微型光學(xué)編碼器
美國M·cr。E公司為滿足下一代高精度制造、檢測、計量和醫(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)可以控制任何場合中要求的高度計量。該系統(tǒng)可使安裝人員從卷帶上切割所需長度，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。 |
