基于AVR單片機的無刷直流電動機控制系統設計

  吳耀春，亢鳳林

（安陽工學院，河南安陽455000)

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：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AVR增強型單片機，內置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和控制策略。

1系統硬件構成和工作原理

1.1控制電路設計

    系統的硬件框圖如圖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成。主要功能是控制指令的接收和執行，速度檢測信號的接收和計算處理，電流采集信號接收和轉換，速度閉環和電流閉環控制算法的執行等。

    電機控制主要通過對驅動模塊的控制來實現。利用AT一megal8內部集成的3個可實現任意相位和頻率可調的PwM通道，產生驅動功率芯片所需的PwM信號，通過速度檢測電路采集驅動模塊在驅動電機運轉時TAcH產生的速度脈沖信號，進行電機轉速的計算和存儲，作為速度環的參考信號。利用內部集成的A／D轉換通道對相電流Iphase進行轉換和存儲，作為電流環的反饋信號。通過單片機的I／0與驅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信號，PB0、PB4、PB5、PB6口輸出組合信號，實現電機不同的緊急制動模式等。通過片上的相應引腳和485串行通信模塊與Pc機通信，接收上位機的控制指令。

1.2驅動模塊電路設計

    驅動模塊的硬件電路主要由電機驅動芯片及其外圍電路組成，實現對控制部分傳送過來的驅動信息進行處理，以此來控制電機的工作狀態和轉速。除此之外，還有電源電路、電流檢測電路、轉速檢測電路、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。

    電機驅動芯片采用AⅡegr0公司的DMOs三相電機驅動芯片A3936，它具有集成度高、可靠性好、速度快、過流欠壓及過熱保護、調試方便等特點。A3936內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速計輸出，交叉電流保護和內部欠壓鎖定及過熱關機電路。

驅動電路采用+24 V供電，電機的起動和運轉由ENA—BLE引腳輸入的PwM信號控制，電機的轉動方向由DIR控制，置高，電機正傳，反之則反轉。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調電阻，調整驅動電機的保護電流。

2控制策略

    理想的無刷直流電動機的感應電動勢和電磁轉矩公式如下：

式中：Np為總導體數；B為永磁體產生的氣隙磁密；l為轉子鐵心長度；t為轉子半徑；ω為轉子機械角速度；is為定子電流由以上公式可以看出，其轉速與電壓成正比，轉矩與相

電流成正比。為了達到控制精度和動態性能，本系統選用轉速、電流雙閉環調速系統。控制系統框圖如圖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，電機小；但吸力要大，勢必功率大，轉速升高。

    優點：電機的機械特性硬，裝人吸塵器壓降少，效率損失少，但轉速高；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、沖擊和轉子不平衡等急劇增加，又會嚴重惡化換向，縮短電機壽命。這就要求使用的零件材料質量均要提升，換向器要求耐高速，碳刷要求耐磨且耐高轉速變化，壓制火花能力加強，電機使用絕緣系統要提高，轉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(相當于國產的35w230，疊厚比常規減少29％)，這可減小高速帶來的振動、沖擊，減小電抗電勢、電樞