基于AVR单片机的无刷直流电动机控制系统设计

  吴耀春，亢凤林

（安阳工学院，河南安阳455000)

    中图分类号：TM33  文献标识码：E

    文章编号：1004—70埔(2010)05—0074—0l

0 引言

    ATmegal8是ATMEL公司推出的一款AVR增强型单片机，内置nash的精简指令集(RIsc)高性能低功耗cM0s微处理器。本文探讨了以ATme酣8单片机为核心无刷直流电机控制系统和控制策略。

1系统硬件构成和工作原理

1.1控制电路设计

    系统的硬件框图如图1所示，它包括一个以A1_m。gal8为核心的单片机控制板，一块配套的电机控制驱动板和一台无刷直流电动机。

     控制板部分以A1_me鲥8为核心，加上一部分外围电路及接口构成。主要功能是控制指令的接收和执行，速度检测信号的接收和计算处理，电流采集信号接收和转换，速度闭环和电流闭环控制算法的执行等。

    电机控制主要通过对驱动模块的控制来实现。利用AT一megal8内部集成的3个可实现任意相位和频率可调的PwM通道，产生驱动功率芯片所需的PwM信号，通过速度检测电路采集驱动模块在驱动电机运转时TAcH产生的速度脉冲信号，进行电机转速的计算和存储，作为速度环的参考信号。利用内部集成的A／D转换通道对相电流Iphase进行转换和存储，作为电流环的反馈信号。通过单片机的I／0与驱动模块的控制接口相连，PBl口输出电机的起动停止信号，PD6口输出电机的正反转信号，PB0、PB4、PB5、PB6口输出组合信号，实现电机不同的紧急制动模式等。通过片上的相应引脚和485串行通信模块与Pc机通信，接收上位机的控制指令。

1.2驱动模块电路设计

    驱动模块的硬件电路主要由电机驱动芯片及其外围电路组成，实现对控制部分传送过来的驱动信息进行处理，以此来控制电机的工作状态和转速。除此之外，还有电源电路、电流检测电路、转速检测电路、过流保护电路和紧急制动等辅助电路，以及电机和控制板的接口电路。具体电路如图2所示。

    电机驱动芯片采用AⅡegr0公司的DMOs三相电机驱动芯片A3936，它具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压及过热保护、调试方便等特点。A3936内部集成可编程混合快

慢电流衰减模式，外部速度控制回路转速计输出，交叉电流保护和内部欠压锁定及过热关机电路。

驱动电路采用+24 V供电，电机的起动和运转由ENA—BLE引脚输入的PwM信号控制，电机的转动方向由DIR控制，置高，电机正传，反之则反转。BRAK}：引脚置高，PFD2、PFl)1引脚分别取11，快衰减紧急制动；10，以48％的速率衰减制动；01，以15％的速率衰减制动；00，慢衰减制动。RFE是一个_口J调电阻，调整驱动电机的保护电流。

2控制策略

    理想的无刷直流电动机的感应电动势和电磁转矩公式如下：

式中：Np为总导体数；B为永磁体产生的气隙磁密；l为转子铁心长度；t为转子半径；ω为转子机械角速度；is为定子电流由以上公式可以看出，其转速与电压成正比，转矩与相

电流成正比。为了达到控制精度和动态性能，本系统选用转速、电流双闭环调速系统。控制系统框图如图3所示。

    飞利浦FC9066吸尘器的特点是吸尘器轻巧、低噪声，使用电机罩空间小，电机小；但吸力要大，势必功率大，转速升高。

    优点：电机的机械特性硬，装人吸尘器压降少，效率损失少，但转速高；缺点：电枢换向周期Tk 极短，这就大大增加换向元件的感应电势，恶化换向，增加火花。另外，高速碳刷和换向器的磨损、振动、冲击和转子不平衡等急剧增加，又会严重恶化换向，缩短电机寿命。这就要求使用的零件材料质量均要提升，换向器要求耐高速，碳刷要求耐磨且耐高转速变化，压制火花能力加强，电机使用绝缘系统要提高，转子的动平衡精度要提高，配件配合精度提高等。

对于上述缺点，飞利浦吸尘器电机采取下列四项措施。

(1)电机尺寸减小。铁心叠厚减少至18 mm，使用铁损小的硅钢片(相当于国产的35w230，叠厚比常规减少29％)，这可减小高速带来的振动、冲击，减小电抗电势、电枢