1引言
無刷直流電機是近幾年來小電機行業(yè)發(fā)展最快的品種之一,隨著視聽產(chǎn)品小、輕、薄化和家電產(chǎn)品的靜音節(jié)能化以及豪華型轎車需求量增多,無刷直流電動機需要量迅速增加;無刷直流電機用電子換向替代了電刷和換向器,具有高可靠、高效率、壽命長、調(diào)速方便、低噪音等優(yōu)點。國內(nèi)近年來在無刷直流電機的設計及控制方面有很多的研究,但與國外成熟的產(chǎn)品相比還有很多地方值得提高,并且很多無刷直流電機生產(chǎn)商都沒有給出具體的控制方案,因此在無刷直流電機控制方面的研究是非常有必要的[1]。
由于無刷直流電機具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速性能好、轉動慣量小、沒有勵磁損耗等問題,因此在各個領域具有廣泛的應用前景。一方面,無刷直流電機與其他異步電機相比具有明顯的優(yōu)勢如反饋裝置更簡單、功率密度更高、輸出轉矩更大、并且電機和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮,因此無刷直流電機的應用和研究得到了前所未有的重視[2]。據(jù)資料統(tǒng)計統(tǒng)計表明無刷直流電機的使用每年以較高比例增長。另一方面無刷直流電機與有刷直流電機相比有更多的優(yōu)點如電機本體結構簡單、運行時無火花、電磁干擾小,無噪聲等,因此具備廣泛應用前景。
2. 系統(tǒng)硬件設計
2.1三相無刷直流電機硬件總體構架
本控制系統(tǒng)硬件主要由控制電路、驅動電路、顯示電路、RS485接口電路組成,如圖2-
由永磁無刷直流電機運行原理可以知道,永磁無刷直流電機的平均工作電流與轉速成反比例函數(shù)關系,且空調(diào)電機帶的風葉負載是恒定,也即轉矩隨轉速成線性關系,因此控制無刷直流電機的電磁轉矩也可以通過控制轉速來實現(xiàn)[3]。本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng)。霍爾位置傳感器的位置信號經(jīng)信號處理后送專用驅動芯片后產(chǎn)生一個速度脈沖信號經(jīng)單片機處理轉換成轉速,再運用增量式PI算法,得到PWM控制信號經(jīng)過光禍隔離電路驅動專用集成驅動芯片閉環(huán)控制轉速。同時,單片機還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài),當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時,單片機將封鎖PWM輸出信號,使電機停機,并通過LED電路顯示故障。由于客戶對控制系統(tǒng)的需求不同,本系統(tǒng)設計的各部分在保持相互獨立性的同時,又留好相應的接口以便構成一個完整的系統(tǒng)。
2.2控制電路
本系統(tǒng)主硬件控制電路由控制由AtmegaBL單片機、PWM信號產(chǎn)生及處理電路、電流檢測電路、轉速檢測電路、隔離電路及接口電路組成。如圖2-2所示。
PWM產(chǎn)生了之后還要經(jīng)過處理才能得到想要輸出的輸出信號。ATmegaBL產(chǎn)生的PWM信號通過光電耦合在P521的3腳產(chǎn)生同周期的PWM信號經(jīng)分壓濾波之后輸出一個0到6V的用于驅動電路的調(diào)速電壓,圖中穩(wěn)壓二極管使P521的4腳穩(wěn)到9V, P521的3腳的PWM信號經(jīng)兩級RC濾波之后變得平滑,P521起到了主控電路與驅動電路電氣隔離作用。
3. 系統(tǒng)軟件設計
本控制系統(tǒng)利用C語言,采用模塊化、結構化編程。模塊化編程即:將一個大程序分成若干個小模塊,各個模塊保持相對的獨立性,模塊之間只靠少量的出之口參數(shù)相聯(lián)系,這樣各個程序模塊分別設計,從而使程序的調(diào)試、修改都變得比較容易;結構化編程即:各個子程序之間使用良好的轉移和調(diào)用,這個各個模塊可有效地組合成一個整體,使流程明確地從一個程序模塊轉移到下一個程序模塊。
本控制系統(tǒng)軟件設計采用前后臺系統(tǒng),前后臺系統(tǒng)即一個死循環(huán)程序加多個中斷服務子程序組,主程序初始之前應該先關所有中斷及看門狗定時器,以保證初始化時不受中斷程序及系統(tǒng)復位成,任務比較多時則需要用實時打操作系統(tǒng)(RTOS),這樣單片機的MPU使用率才會得以提高,各任務才能實時按預期運行。本控制系統(tǒng)軟件包括主程序及中斷服務程序兩部分。主程序主要由系統(tǒng)初始化、轉子轉速計算及轉速PID閉環(huán)控制組成,主程序完成大部分的功能任務;中斷程序主要對中斷事件進行檢測并通知主程序進行相應處理、完成必要的實時性功能,這樣做的目的是使中斷不占用太多的CPU時間,使程序各部分功能能夠可靠地運行,本控制系統(tǒng)的中斷程序主要用來串行中斷接收上位機發(fā)來的轉速設定值、定時中斷檢測電流及顯示轉速值及相關故障。本軟件設計的程序如圖3-1所示
I/0口初始化主要是設置端口是輸入還是輸出、輸出的初始值、是否要上拉電阻;A/D初始化主要設置所要AD轉換器的通道、模擬參考電壓以及時鐘頻率;Max7219的初始化主要是對內(nèi)部亮度、譯碼方式、掃描位數(shù)等寄存器設置:串口初始化設置為多機通信方式、波特率為9600bit/s, 1位起始位、9位數(shù)據(jù)位、1位停止位;AtmegaBL有三個定時器,T0, T2為8位,T1為16位[4-5]。本控制系統(tǒng)中TO用于產(chǎn)生定時2秒定時中斷信號,T2用于產(chǎn)生用戶設定速度相對應的PWM波信號,Tl用于捕捉FG脈沖信號,從而計算電機轉速。對上述量設置完了之后再開中斷及看門狗,以響應中斷服務程序及以防程序跑飛從而復位重新運行。
參考文獻
[1] 張。疅o刷直流電動機原理及應用(第二版).北京:機械工業(yè)出版社2004
[2] 鄧星鐘.機電傳動控制.武漢:華中科技大學出版社2001
[3] 溫照方.電機與控制.北京:北京理工大學出版社2004
[4] 胡漢才.單片機原理及接口技術.北京:清華大學出版社1996
[5] 周謄琴.計算機控制系統(tǒng)。西安:西北工業(yè)大學出版社1998