無(wú)刷直流電機調速控制系統中的應用方案

1 引言

當前，隨著(zhù)保護環(huán)境、節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(chē)便是其中之一。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅動(dòng)能源，以電動(dòng)機作動(dòng)力，具有無(wú)廢氣污染、“零排放”、無(wú)噪音、輕便美觀(guān)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(chē)還存在著(zhù)一些不夠完善的地方，尤其是電機控制方面有待于進(jìn)一步提高。本文根據無(wú)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作為主控芯片設計了一種無(wú)刷直流電機調速控制系統，該系統具有硬件結構簡(jiǎn)單、軟件設計靈活、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、穩定性、抗干擾性及靈活性方面都更加周全和完善。ATmega8屬于A(yíng)Tmega系列單片機(ATmega16/ATmega32/ATmega64/ATmega128)的一個(gè)子集, 其內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(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A(yíng)VR RISC(精簡(jiǎn)指令集)結構的8位單片機。AVR單片機的核心是將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)鐘周期內用一條指令同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)(讀寫(xiě))2個(gè)獨立的寄存器。這種結構可提高代碼效率,使得大部分指令的執行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)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(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)指令集結構;有130條功能強大的指令, 大多數為單周期指令;內含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)片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器。8k字節的Flash程序存儲器的可擦寫(xiě)次數大于10000次;512個(gè)字節E2PROM的擦寫(xiě)次數至少可達100000次;支持在線(xiàn)編程(ISP)和在應用編程(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(gè)帶預分頻的8位定時(shí)/計數器、1個(gè)帶預分頻的16位定時(shí)/計數器;3個(gè)PWM 通道可實(shí)現任意16位以?xún)认辔缓皖l率可調的PWM 脈寬調制輸出;6通道A/D轉換;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RC振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器;片內模擬比較器。

(4)具有特殊的微控制器性能。內含可控制的上電復位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測電路;芯片內部和外部共有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 系統硬件設計

整個(gè)系統主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調速電路、MOSFET全橋電路、限流電路等，圖1所示是其原理框圖。其中無(wú)刷直流電機由電動(dòng)機本體、轉子位置檢測器和電子開(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)機定子繞組供電，位置檢測器可隨時(shí)檢測轉子的位置，并根據轉子的位置信號來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導通和截止，從而實(shí)現電子換向。

3.1 轉子位置檢測電路

本設計中的無(wú)刷直流電動(dòng)機有2對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，運用這三個(gè)腳的數模轉換功能(ADC)可對霍爾信號進(jìn)行采樣和轉換。

3.2 電機轉速控制電路

a.測速電路

要對無(wú)刷直流電動(dòng)機的轉速進(jìn)行準確的控制首先要準確地測量出它的轉速。本設計利用轉子位置傳感器的輸出脈沖信號來(lái)反映電動(dòng)機的轉速。先將位置傳感器信號經(jīng)過(guò)采樣調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(zhù)電動(dòng)機的轉動(dòng)PD3將不斷接收到脈沖信號。當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的計時(shí)結果便是電動(dòng)機轉動(dòng)一圈所需的時(shí)間據此即可計算出電動(dòng)機的轉速。