基于AVR单片机的直流无刷电机智能控制系统设计
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2009年 第11期仪表技术与传感器I nstru ment Technique and Sens or 2009 No 111 收稿日期:2008-12-16 收修改稿日期:2009-07-10基于AVR 单片机的直流无刷电机智能控制系统设计崔 丽,叶先明(武汉大学动力与机械学院,湖北武汉 430072) 摘要:分析目前直流无刷电机控制器的现状,设计了一种直流无刷电机通用的控制系统,通过开关选择有位置传感器或者无位置传感器控制模式,实现了相同额定电压额定功率的直流无刷电机控制器的通用,并可通过RS -232与PC 机通信方便上位机对电机运行状况进行监控,并通过24V,220V 两种额定功率的电机的实际运行,验证了系统的可行性。
关键词:直流无刷电机;AVR 单片机;反电动势;智能控制中图分类号:T M3 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2009)11-0034-03D esi gn of BLDCM I n telli gen t Con trol System Ba sedon AVR S i n gle 2ch i p M i croco m puterC U IL i,YE Xian 2m ing(Power and M echan i ca l Eng i n eer i n g D epart m en t,W uhan Un i versity,W uhan 430072,Ch i n a)Abstract:Based on the p resent conditi on of the BLDC M contr ol syste m,this paper designed a ne w universal contr ol syste m which has t w o kinds of contr ol modes p repared for BLDC M has sens or and sens orless .This contr oller can choose a contr ol mode by a butt on,and this contr oller can be used t o contr ol any BLDC M has the sa me rated voltage and rated power .The contr oller can communicate with PC thr ough RS 2232.And the paper p r oved the design is usable by both 24V and 220V rated voltage BLDC M.Key words:BLDC M;AVR single 2chi p m icr ocomputer;CE MF;intelligent contr ol 0 引言直流无刷电机,即有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点,又有直流电机运行效率高、调剂性能好等特性,而且由于不受机械换向的限制,易于做到大容量、高转速,在汽车、机器人、办公自动化以及工业现场都有广泛的应用前景。
针对永磁直流无刷电机的控制大致有以下3种方式:采用专用集成电路控制芯片、基于单片机、利用高性能的数字信号处理器(DSP )。
利用专业集成电路控制芯片(如MC33035)组建的控制系统简单、成本低廉,但是由于集成电路控制芯片在硬件上完成了从位置检测、译码到P WM 调制输出的所有工作,系统功能不能进一步扩展,限制了专用集成电路控制芯片在一些场合的应用。
DSP 内部结构使控制系统能够实现复杂的控制算法,可以将速度环和电流环都以数字方式实现,形成全数字控制,但DSP 价格较高而且其外围电路等的设计较复杂,成本较高,不适合批量生产。
使用单片机设计简单,价格低廉,又有相当的控制功能和处理速度可以满足通常状况下的控制要求,是设计直流无刷电机控制系统的首选。
1 直流无刷电机直流无刷电机与有刷直流电机相比,用电子换向替代了机械换向装置,在内部结构上有了显著的变化,二者在运行特性和控制方法上也有很大的差别。
文中所使用的控制对象为三相星型直流无刷电机。
直流无刷电机系统的工作原理如图1所示,它采用两两导通的控制方式,反电动势和电流波形如图2所示。
因为反电动势为120°的梯形波,直流电动机电枢磁势轴线与励磁磁势轴线为60°到120°电角度时,产生的电磁转矩最大。
因此为保持电机输出最大的电磁转矩,无刷直流电动机必须保持每60°就换向一次。
即转子每转过60°电角度时,逆变器开关管之间就进行一次换流,定子磁状态就改变一次。
可见,电机定子有6个磁链状态,其中每一个状态都是两相绕组导通,每相绕组中流过电流的世界相当于转子旋转120°电角度,每个开关管的导通 第11期崔丽等:基于AVR 单片机的直流无刷电机智能控制系统设计35 角也是120°,该逆变器为120度两两导通型。
为了保证直流无刷电机的正常换向,必须有位置检测单元,为其提供转子的位置信号。
现在通用的直流无刷电机有带位置传感器的直流无刷电机和无位置传感器的直流无刷电机,相应的控制系统也分为针对有位置传感器和无位置传感器两种电机的不同系统。
2 控制系统设计211 系统控制策略文中采用P WM 全桥斩波技术控制功率开关管组成逆变器直流侧的电压,系统采用电流环和速度环双闭环控制。
电流环与速度环均采用成熟的P I 控制。
根据永磁无刷电机的运行原理,系统采用两两导通六状态方式,按照不同的导通次序可实现电机的正转、反转及刹车功能。
采用P WM 斩波控制技术实现的调压调速,在P WM 斩波的占空比D 为1时,电机转速达到最大,占空比D 为0时,电机静止。
212 硬件设计直流无刷电机控制系统包括电源模块、控制模块、驱动模块、功率模块、检测模块以及通信模块等,总体结构框图如图3所示。
图3 无刷直流电机控制系统结构图以下详细介绍控制模块、驱动模块、功率模块以及检测模块。
21211 控制模块本设计采用AVR 系列单片机M ega16作为主控制器,主要完成P WM 调速功能、转子位置识别并输出换向功能、智能启动功能以及速度检测等功能。
M ega16是基于增强的AVR R I S C 结构的低功耗8位C MOS微控制器,其数据吞吐率高达1M I PS/MHz,实现了片上系统,大大简化了系统的设计。
具体特点如下:16K 字节的系统内可编程flash,512字节EEPROM ,1K 字节的SRAM ,32个通用I/O 口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JT AG 接口,支持片内调试和编程,3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器,片内/外中断,可变成串行US ART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SP I 串行端口,以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。
很好的满足P WM 输出、AD 采样、定时计算、I/O 采集以及在线调试等功能。
21212 驱动模块采用6路高压集成驱动器I R2130。
具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。
其驱动信号延时为ns 级,开关频率高达20kHz .该电路驱动6个单元仅用一路15V 电源。
芯片内部具有欠压锁定、外部过流封锁和鼓掌输出指示功能。
调节电阻可调节过流保护值。
D1为保护指示灯,一旦过流或欠压锁定,D1会发出故障指示。
为了防止干扰引起误触发而产生假过电流现象,在I R2130的9脚过流封锁端加一小电容进行滤波。
图4为I R2130组成的开关管驱动电路。
图4 I R2130组成的开关管驱动电路21213 功率模块功率模块主电路如图5所示,采用三相桥式逆变器,工作方式为120°导通型星型二导通三相六状态。
功率开关管T1～T6选用高速功率场效应晶体管MOSFET 器件或者I G BT 。
内含快速恢复二极管。
图5 功率模块主电路图21214 检测模块检测模块包括电流检测、速度检测以及位置检测三方面功能。
2121411 电流检测在系统的总电流处串联一个小电阻,采集电阻两端电压经隔离、滤波、跟随后与额定电压通过电压比较器进行比较,判断其是否过流,若过流则及时封锁P WM 输出。
2121412 速度检测速度检测通常有测速发送机、光电编码器、磁编码器和旋转变压器等,也可利用无刷直流电机转子位置检测所产生的脉冲信号来反应电机的转速,但在低转速时,测速精度较差。
本系统由于对转速的精确度要求不高,并为了节约成本,故采用位置检测器所产生的脉冲信号来反应电机转速,并只反应电机进入正常运行状态的转速。
具体做法为:计数电机转子在六状态中的某个状态下持续的时间长度来计算电机转速。
如,定时器为250m s,计数为M ,则转速n =60×1000/250×6×M.2121413 位置检测 36 I nstru ment Technique and Sens or Nov12009 直流无刷电机的位置检测可分为两大类,有位置传感器的直流无刷电机的位置检测和无位置传感器的直流无刷电机的位置检测。
有位置传感器的直流无刷电机的位置检测相对而言比较简单,由于电机自带了霍尔传感器,在电路设计时只须对传感器信号进行电平转换,便可通过I/O进行采集,根据采集的数字信号组合确定电机转子的位置。
无位置传感器的直流无刷电机的位置检测采用反电动势过零检测法。
由电机的工作原理可知,与感应电动势同相位的180°电角度中,每相导通时间只有120°,在电机旋转一周的过程中,共有6种导通方式,如表1所示。
表1 正转导通模式模式上桥臂下桥臂换相U V W X Y Z0开关关关开关U→V1开关关关关开U→W2关开关关关开V→W3关开关开关关V→U4关关开开关关W→U5关关开关开关W→V 每次导通方式的变化,标志着反电动势的过零,因此检测导通方式的变化时刻和检测反电动势的过零具有相同的作用。
213 软件设计软件设计的主要思想为:使电机在一定的电压范围内,不超过额定电流的情况下,可实现正转、反转、调速以及紧急制动功能,并实现控制器与上位机的通信功能。
充分利用单片机强大的中断处理能力处理电压采集、位置捕捉、P WM的波形产生等是整个控制软件的主要内容。
软件由主程序和各中断子程序组成。
主程序负责系统初始化、控制方式判断检测、电流采样、等待中断等;定时中断0负责产生占空比可调的P WM波形;定时中断1负责位置检测、输出换向以及速度信号输出;ADC中断完成速度调节以及电压采集实现智能启动。
