無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中ATmega8芯片應(yīng)用方案

1 引言

當(dāng)前，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲無(wú)污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關(guān)注，同時(shí)也得到了極大的發(fā)展，電動(dòng)自行車便是其中之一。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，以電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，具有無(wú)廢氣污染、“零排放”、無(wú)噪音、輕便美觀等特點(diǎn)特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機(jī)控制方面有待于進(jìn)一步提高。本文根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的原理，利用美國(guó)Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高檔單片機(jī)ATmega8作為主控芯片設(shè)計(jì)了一種無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軟件設(shè)計(jì)靈活、適用面廣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2 ATmega8芯片簡(jiǎn)介

ATmega系列單片機(jī)承襲了AVR系列中AT90所具有的特點(diǎn)，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(jī)(ATmega16/ATmega32/ATmega64/ATmega128)的一個(gè)子集, 其內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)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(jí)語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC(精簡(jiǎn)指令集)結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。AVR單片機(jī)的核心是將32個(gè)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)用一條指令同時(shí)訪問(wèn)(讀寫)2個(gè)獨(dú)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(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期，故可達(dá)到將近1MIPS/MHz的性能, 運(yùn)行速度比普通單片機(jī)高出10倍。ATmega8的主要性能特點(diǎn)如下:

(1)高性能、低功耗的8位AVR微控制器。采用先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu);有130條功能強(qiáng)大的指令, 大多數(shù)為單周期指令;內(nèi)含32個(gè)8位通用工作寄存器;工作在16MHz時(shí)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(chǔ)器。8k字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器的 可擦寫次數(shù)大于10000次;512個(gè)字節(jié)E2PROM的擦寫次數(shù)至少可達(dá)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(qiáng)大的外部接口。帶有2個(gè)帶預(yù)分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)帶預(yù)分頻的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;3個(gè)PWM 通道可實(shí)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(gè)I2C串行接口、一個(gè)可編程的USART接口、一個(gè)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(shí)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(shí)電路和可編程的欠電壓檢測(cè)電路;芯片內(nèi)部和外部共有18個(gè)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(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、測(cè)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(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和電子開(kāi)關(guān)電路三部分組成。直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置檢測(cè)器可隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向。

3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)中的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)有2對(duì)磁極定子繞組采用三相型接法3個(gè)霍爾位置傳感器的空間間距為60°即電角度為120°。3個(gè)霍爾傳感器的輸出H1、H2、H3分別直接接到ATmega8的26、27、28腳，運(yùn)用這三個(gè)腳的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能(ADC)可對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路

a.測(cè)速電路

要對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確的控制首先要準(zhǔn)確地測(cè)量出它的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出脈沖信號(hào)來(lái)反映電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。先將位置傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣調(diào)理電路后送至單片機(jī)的PD3腳該引腳可作為外部中斷源的輸入口。隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)PD3將不斷接收到脈沖信號(hào)。當(dāng)PD3接收到一個(gè)上升沿時(shí)將啟動(dòng)定時(shí)器T0以開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至接收到下一個(gè)相鄰的上升沿為止，定時(shí)器T0的計(jì)時(shí)結(jié)果便是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的時(shí)間據(jù)此即可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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b.換向調(diào)速電路

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類。由于前者所受的各類限制較多，且勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是改變電樞端電壓以實(shí)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(gè)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(dá)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。

設(shè)加在電機(jī)電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ud 則電機(jī)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(guò)改變α的值可達(dá)到調(diào)壓的目的。由于0 ≤α≤1, Ua值的范圍是-Ud～+Ud,因而電機(jī)可以在正、反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過(guò)單片機(jī)可采樣電動(dòng)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(jī)的PB1腳，輸出占空比可調(diào)的PWM 信號(hào)。該信號(hào)和來(lái)自限流電路LM358比較器的輸出信號(hào)一起通過(guò)軟件比較，在限流電路不工作的情況下輸出PWM信號(hào)，以配合軟件控制的PB0、PD5和PD6引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的光耦，進(jìn)而控制MOSFET全橋電路換相導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向。因此,通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)PWM信號(hào)的占空比,最終可改變加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

4 系統(tǒng)軟件控制

ATmega8在軟件上能有效支持C語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。C語(yǔ)言目前已成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，它既有普通高級(jí)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級(jí)語(yǔ)言對(duì)硬件訪問(wèn)方便、代碼效率高的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，具有很好的可移植性。

5 結(jié)束語(yǔ)

用本方案設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中獲得了良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。高性價(jià)比ATmega8單片機(jī)的運(yùn)用大大降低了成本，提高了軟件設(shè)計(jì)靈活性，豐富了硬件接口功能，為今后系統(tǒng)升級(jí)創(chuàng)造了良好條件。