基于ATmega8的無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng) - 全文

　　1 引言

　　電動自行車以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動能源，以電動機作動力，具有無廢氣污染、“零排放”、無噪音、輕便美觀等特點。但目前市場上的電動自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機控制方面有待于進一步提高。本文根據(jù)無刷直流電機的原理，利用美國Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高檔單片機ATmega8作為主控芯片設(shè)計了一種無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件設(shè)計靈活、適用面廣、價格低廉等優(yōu)點?具有一定的實用價值。

　　2 ATmega8芯片簡介

　　ATmega系列單片機承襲了AVR系列中AT90所具有的特點? 并增加了更多的接口功能? 而且在省電性、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面都更加周全和完善。ATmega8屬于ATmega系列單片機(ATmega16/ATmega32/ATmega64/ATmega128)的一個子集, 其內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富的硬件接口電路, 并且在軟件上能有效支持C高級語言及匯編語言。

　　ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC(精簡指令集)結(jié)構(gòu)的8位單片機。AVR單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集連接在一起, 所有的工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連, 可在一個時鐘周期內(nèi)用一條指令同時訪問(讀寫)2個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)可提高代碼效率,使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期，故可達到將近1MIPS/MHz的性能, 運行速度比普通單片機高出10倍。ATmega8的主要性能特點如下:

　　(1)高性能、低功耗的8位AVR微控制器。采用先進的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu);有130條功能強大的指令, 大多數(shù)為單周期指令;內(nèi)含32個8位通用工作寄存器;工作在16MHz時指令處理速度為16MIPS。

　　(2)片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。8k字節(jié)的Flash程序存儲器的可擦寫次數(shù)大于10000次;512個字節(jié)E2PROM的擦寫次數(shù)至少可達100000次;支持在線編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP);帶有可編程的程序加密位。

　　(3)豐富強大的外部接口。帶有2個帶預(yù)分頻的8位定時/計數(shù)器、1個帶預(yù)分頻的16位定時/計數(shù)器;3個PWM 通道?可實現(xiàn)任意16位以內(nèi)相位和頻率可調(diào)的PWM 脈寬調(diào)制輸出;6通道A/D轉(zhuǎn)換;一個I2C串行接口、一個可編程的USART接口、一個支持主/從、收/發(fā)的SPI同步串行接口;帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器;片內(nèi)模擬比較器。

　　(4)具有特殊的微控制器性能。內(nèi)含可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路;芯片內(nèi)部和外部共有18個中斷源;5種休眠模式(空閑、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待命)。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　整個系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測電路、測速電路、調(diào)速電路、MOSFET全橋電路、限流電路等，圖1所示是其原理框圖。其中無刷直流電機由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子開關(guān)電路三部分組成。直流電源通過開關(guān)電路向電動機定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。

　　3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

　　本設(shè)計中的無刷直流電動機有2對磁極?定子繞組采用三相型接法?3個霍爾位置傳感器的空間間距為60°?即電角度為120°。3個霍爾傳感器的輸出H1、H2、H3分別直接接到ATmega8的26、27、28腳，運用這三個腳的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能(ADC)可對霍爾信號進行采樣和轉(zhuǎn)換。

　　3.2 電機轉(zhuǎn)速控制電路

　　a.測速電路

　　要對無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速進行準確的控制?首先要準確地測量出它的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機的轉(zhuǎn)速。先將位置傳感器信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路后送至單片機的PD3腳?該引腳可作為外部中斷源的輸入口。隨著電動機的轉(zhuǎn)動?PD3將不斷接收到脈沖信號。當PD3接收到一個上升沿時將啟動定時器T0以開始計時，直至接收到下一個相鄰的上升沿為止，定時器T0的計時結(jié)果便是電動機轉(zhuǎn)動一圈所需的時間?據(jù)此即可計算出電動機的轉(zhuǎn)速。

　　b.換向調(diào)速電路

　　無刷直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法兩類?4?。由于前者所受的各類限制較多，且勵磁線圈電感較大?動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是改變電樞端電壓以實現(xiàn)調(diào)速的電樞電壓控制法。設(shè)直流電源電壓為Ud，為電樞串聯(lián)一個電阻R并接到電源Ud，則電樞兩端的電壓Ua為Ua=Ud-IaR，顯然?調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓?從而達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率較低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展?出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。PWM?脈寬調(diào)制?就是其中之一，其基本原理如圖2所示。

　　設(shè)加在電機電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ud ?則電機電樞兩端電壓的平均值為

　　Ua=(T1-T2)Ud/(T1+T2)=(2T1/T2-1)Ud=(2α-1)Ud

　　其中α為占空比，通過改變α的值可達到調(diào)壓的目的。由于0 ≤α≤1, Ua值的范圍是-Ud～+Ud,因而電機可以在正、反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。

　　圖3所示是一種電動自行車無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的部分原理圖。通過圖中單片機可采樣電動自行車手柄上可調(diào)電阻的電壓，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到PWM寄存器，從而控制單片機的PB1腳，輸出占空比可調(diào)的PWM 信號。該信號和來自限流電路LM358比較器的輸出信號一起通過軟件比較，在限流電路不工作的情況下輸出PWM信號，以配合軟件控制的PB0、PD5和PD6引腳來驅(qū)動相應(yīng)的光耦，進而控制MOSFET全橋電路換相導(dǎo)通，實現(xiàn)電機的換向。因此,通過調(diào)節(jié)單片機PWM信號的占空比,最終可改變加在電動機定子繞組上的電壓,從而實現(xiàn)電動機的調(diào)速。

無刷直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)電路

　　4 系統(tǒng)軟件控制

　　ATmega8在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。C語言目前已成為設(shè)計嵌入式系統(tǒng)的標準語言，它既有普通高級語言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有匯編等低級語言對硬件訪問方便、代碼效率高的特點。本設(shè)計是用C語言編程實現(xiàn)的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖4所示。