Atmega16在開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統中的應用

摘要：針對開(kāi)關(guān)磁阻電機調速系統的設計要求，提出了以Atmega16作為CPU，并利用該單片機硬件和軟件上的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高系統處理速度,簡(jiǎn)化外圍 電路和提高性?xún)r(jià)比的設計方法。 關(guān)鍵詞：電機調速;開(kāi)關(guān)磁阻電機;標準單脈沖數;Atmega16 1 引言 目前，隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日趨嚴峻。為此，國家科技部啟動(dòng)了“863電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項”，而開(kāi)關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)SRM)以其啟動(dòng)轉矩大、調速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)被作為未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的理想驅動(dòng)電機之一。開(kāi)關(guān)磁阻電機是一種必須在控制器協(xié)調控制下才能運轉起 來(lái)的電機，因而控制器性能的好壞直接影響電機的運轉性能。以往控制系統所采用的CPU主要有三種類(lèi)型：一是采用51系列8位單片機，這種處理器處理速度相 對緩慢，功能簡(jiǎn)單，外圍電路比較復雜。二是采用196系列16位單片機，這種處理器處理速度比較快，但由于內部外設模塊不夠豐富，因而外圍電路仍相對復 雜。三是采用240系列DSP，這種處理器處理速度快，內部外設模塊豐富，但芯片價(jià)格昂貴，所以不能得到較廣泛的應用。

本文選用Atmel公司出品的Atmega16作為CPU來(lái)控制開(kāi)關(guān)磁阻電機，大大提高了性?xún)r(jià)比。 2 AVR系列單片機 AVR單片機是目前最新的單片機系列之一，具有速度高、片內硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，可作為真正意義上的單片機使用。它的最大特點(diǎn)是低功耗和高速度，其掉電方 式、閑置方式至工作方式下的耗電約為1μA～2.5μA。該系列單片機采用現代微處理器流水管線(xiàn)預取指令技術(shù)，淘汰了機器周期的概念。它以時(shí)鐘周期為指令 執行的基本時(shí)間單位，每個(gè)時(shí)鐘周期可執行一條指令。時(shí)鐘頻率通常采用4MHz～8MHz，故最短的指令執行時(shí)間為250ns～25ns。在12MHz頻率 下，指令的吞吐量為12MIPS，這是一般MCS-51單片機速度的12倍。AVR系列片內含有模擬比較器，與輸入捕捉功能配合可進(jìn)行多種模擬控制和轉 換。它借鑒了某些機型的高速輸入輸出HSIO和可編程計數陣列PCA的概念，實(shí)現了本身的輸入捕捉、輸出比較和脈沖寬度調制輸出功能，從而成為脈沖信號測 量、開(kāi)關(guān)量按時(shí)控制及某些直流馬達調速的得力工具。在軟件開(kāi)發(fā)方面，AVR單片機內含容量不等的閃速程序存儲器(Flash Memory,簡(jiǎn)稱(chēng)Flash)，可反復擦寫(xiě)至少1000次，極大地方便了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和軟件修改。Flash存儲器中的程序可由PC機串行下載，亦可在通用 寫(xiě)入器上以并行方式寫(xiě)入。 3 開(kāi)關(guān)磁阻電機工作原理 所謂磁阻電機是指電機各磁路的磁阻隨轉子位置而改變，因而電機的磁場(chǎng)能量也將隨轉子位置的變化而變化，并將磁能變換成機械能。這種結構與步進(jìn)電動(dòng)機相似， 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的運行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著(zhù)磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必使自己的主軸線(xiàn)與磁場(chǎng) 的主軸線(xiàn)重合。圖1為四相開(kāi)關(guān)磁阻電機結構圖，當定子D-D‘極勵磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力會(huì )力圖使轉子旋轉到轉子極軸線(xiàn)1-1’與定子極軸線(xiàn)D-D’重合的位 置，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖1中定、轉子所對的位置作為起始位置，然后依次給D-A-B-C相繞組通電，轉子會(huì )逆著(zhù)勵磁順序以逆時(shí)針?lè )较蜻B續 旋轉;反之，若依次給B-A-D-C相通電，則轉子會(huì )沿順時(shí)針?lè )绞睫D動(dòng)?？梢?jiàn)，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機的轉向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順 序。 4 系統設計要求及結構實(shí)現 對于額定功率為0.75kW、轉速為50～2000r.p.m的8/6極SRM，在低速時(shí)可采用PWM方式來(lái)控制，而在高速時(shí)則應采用單脈沖控制。電機轉 子每轉過(guò)15%26;#176;，位置傳感器PIA和PIB會(huì )發(fā)生變化并產(chǎn)生一次相中斷，之后MSP430依據外部操作要求(如正傳或反轉)及當前狀態(tài)來(lái) 決定下一次輸出狀態(tài)并送給數字比較器，當與下一次中斷信號一致時(shí)，它會(huì )向CPU發(fā)送一次中斷，并輸出相信號給邏輯電路，最后驅動(dòng)電動(dòng)機。同時(shí)依據此中斷信 號計算轉速，以作為高速單脈沖工作狀態(tài)的參考點(diǎn)(對于高速單脈沖，由于在高速時(shí)沒(méi)有足夠時(shí)間精確計算開(kāi)關(guān)角的大小，因而本設計采取每相固定導通 30%26;#176;的控制方式，其實(shí)現方法待后詳述)。 當轉速給定后，即可采用調節電位器輸出模擬量送給Atmega16的A/D模塊。系統中的LED用于顯示轉換速等信息，鍵盤(pán)用于設定各參量(如方向等)。 其控制結構框圖如圖2所示。 4.1 PWM控制 AVR的T/C1除具有定時(shí)、計數、輸入捕捉和輸出比較功能外，還可構成兩個(gè)脈沖寬度調制PWM輸出通道。由于經(jīng)緩沖的PWM輸出可驅動(dòng)電機，且其轉速正 比于OCR1A或OCR1B寄存器的內容。因此，可以利用OCR1A輸出PWM波，再將該信號與各路相輸出信號相與后輸出，從而實(shí)現控制各路相信號以及低 速調速之目的。 圖2 4.2 高速單脈沖控制 采用高速單脈沖控制方式時(shí)，可使關(guān)斷角保持不變，從而使開(kāi)通角在較寬的范圍內進(jìn)行調節，最終實(shí)現高速高速。由于A(yíng)VR系列單片機具有輸入捕捉功能，因此可 將PIA或PIB信號送給ICP腳，然后讓ICP1寄存器首先捕捉脈沖上升沿發(fā)生的時(shí)間，接著(zhù)再捕捉下一次上升沿發(fā)生的時(shí)間，然后用這段時(shí)間除以相間隔的 角度15%26;#176;就可得到標準單脈沖數。當然，由于中斷處理需要一定的時(shí)間，所以要通過(guò)軟件修正。這樣就可以高精度控制高速運轉時(shí)的開(kāi)通角和關(guān) 斷角，從而實(shí)現高速單脈沖的軟件控制。 5 軟件示例 5.1 相輸出子程序示例 ;正轉相輸出 .def xiin=r16 ;相輸入信號寄存器 ;==================== xinoutz:in xiin,pind ;將相輸入信號送給寄存器 andi xiin,$03 ;相與只剩下相信號 cpi xiin,$01 ;是否da輸出 brbc 1,daout ;相等，da輸出 cpi xiin,$03 ;是否ab輸出 brbc 1,about ;相等，ab輸出 cpi xiin,$02 ;是否bc輸出 brbc 1,bcout ;相等,bc輸出 cpi xiin,$00 ;是否cd輸出 brbc 1,cdout ;相等,cd輸出 ;==================== ;反轉相輸出 ;==================== xinoutf:in xiin,pind ;將相輸入信號送給寄存器 andi xiin,$00 ;相與只剩下相信號 cpi xiin,$01 ;是否da輸出 brbc 1,daout ;相等，da輸出 cpi xiin,$02 ;是否ab輸出 brbc 1,about ;相等，ab輸出 cpi xiin,$03 ;是否bc輸出 brbc 1,bcout ;相等,bc輸出 cpi xiin,$01 ;是否cd輸出 brbc 1,cdout ;相等，cd輸出 ;==================== daout:sbic pinb,4 ;開(kāi)通a相低電平有效 sbic pinb,7 ;開(kāi)通d相? sbis pinb,5 sbis pinb,6 ret about:sbic pinb,4 ;開(kāi)通a相 sbic pinb,6 ;開(kāi)通b相 sbis pinb,5 sbis pinb,7 ret bcout:sbic pinb,5 ;開(kāi)通c相 sbic pinb,6 ;開(kāi)通b相? sbis pinb,7 sbis pinb,4 ret cdout:sbic pinb,5 ;開(kāi)通c相 sbis pinb,7 ;開(kāi)通d相? sbis pinb,4 sbis pinb,6 ret 5.2 速度采集顯示子程序示例 .include m16def.inc .org $001c rjmp adcint .def channel=r29 ;模擬通道號 .def lresult=r2 ;轉換低字節 .def hresult=r3 ;轉換高字節 .def temp=r16 .equ sample=$0060 ;采樣數據1緩沖區首地址 .equ sample2=$0063 ;采樣數據2緩沖區首地址 .def round=r17 ;顯示回合計數器 .def outer=r19 ;存放外環(huán)計數器 .def inner=r18 ;存放內環(huán)計數器 .equ slabel=$0400 ;字符碼首地址 .def hxian=r2 ;存放預顯示高字節 .def lxian=r1 ;存放預顯示低字節 ;采集顯示速度占用系統資源r1r2s3r4r16,$60～$69 adcin:ldi channel,$04 ;從4通道開(kāi)始 out admux,channel ldi r16,$ee ;自由運行方式 out adcsr,r16 ;啟動(dòng)轉換 clr xh ;建立sram指針 ldi x1,$60 inc channel ;通道號增1 out admux,channel ;選通道4 sbi adcsr,3 ;開(kāi)啟ad中斷 ldi r28,$03 ;轉換次數 adhere:rjmp adhere ;等待中斷 adcint:in lresult,adcl ;讀轉換結果 in hresult,adch st x+,lresult dec r28 brne adnextc rjmp adret adnextc:ldi r28,$03 ;轉換次數 inc channel ;通道號加1 out admux,channel ;選下一個(gè)通道 cpi x1,$70 ;轉換的是通道7嗎 brme adret ;否，返回 cbi ADCSR,7 ;是，停止轉換 adret:reti 6 結束語(yǔ) 實(shí)際使用證明：Atmel公司出品的Atmega16系列單片機具有處理速度快，內部外設功能模塊豐富等優(yōu)點(diǎn)，是一種性?xún)r(jià)比較高的單片機，特別適用于電池 供電、便攜式以及電機驅動(dòng)等系統。本文的開(kāi)關(guān)磁阻電機充分利用了該單片機豐富的內部外設模塊，因而簡(jiǎn)化了外圍電路，大大提高了性?xún)r(jià)比。