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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、电枢反应旋转电势，改善换向。电机外壳使用塑料uP GF一12，线包与壳体靠得较近，无铁壳的爬电距离之忧，碳刷可置于风机端，电机的外形尺寸只有西110 mm×110 mm，电机体积缩小16％。
(2)风机缩小，换向器外径减小(程!O mm，比常规换向器外径缩小10％)，这可弥补转速高带来的磨损量加大，以降低线速度，减小电枢反应旋转电势；加长碳刷达38 mm(碳刷加长15％)，使崩扭簧，减短刷架长度，也可减小电机尺寸。
按线速度与转速的公式：
式中：l为周长；n为转速：现转速由原36 000 r／min 上升到40000 r/min，如线速度不变，其换向器的外径将缩小11％。
目前国内换向器的质量水平跟国外比较接近，但换向器的主要结合体一电木粉原料还是靠进日，用于高速高强度换向器中的树脂材料国内还不适应，欧洲料对模具工艺要求高，国内较难适用，现多选用日本料，而日本料实际使用时也有一定的局限性，如综合性能好的日立料CP7010，长时间工作在3600O r／min尚可，电机运转寿命也能达到600h以上高要求，当转速冉高，用于高转速吸尘器电机上的运转寿命就会出现呈批量性的缩短。
按上述措施用国产材料做试验进行对比分析。换向器外径比原缩小lO％．其他条件不变(主要指碳刷与电枢磁势的轴线连线重合，位于几何中性线上)，电机寿命结果如表3所示。
试验情况如下：电机开始运行良好，10天后，火花增大，碳刷磨损极快。试验后发现电机换问器有几片铜排磨损厉害，槽口变大，碳刷磨损只剩4 mm。
经分析发现，虽然换向器外径减小，线速度与以前电机相同，但碳刷磨损还是比以前大。主要原因是转速升高使换向元件的感应电势加大，恶化换向，随着碳刷压力的减小，换向元件与碳刷的接触恶化加剧，碳刷烧损加剧。
(3)优化换向，偏移碳刷角度和换向片连线位置。
按串励电机理论，改善换向的方法，就是减少换向元件中的电抗电势er，电枢反应旋转电势％和旋转电势ekt.即：
式中：Ws为换向元件匝数；L为电枢铁心叠厚；λ为换向元件的等效比磁导；A为线负荷；V2为电枢表面线速度；Baq为电枢反应在换向区磁密;f为电源频率；Φd为气隙磁通。
在上述公式中，改善换向措施有多种，如增大气隙、增加每槽并列元件数、减少元件匝数、选合适的碳刷材料和合适宽度、压力、换向器材料等，这些方案在电机生产前已完善。在电机生产中可改变的还有三项措施：增大匝比、与换向片挂线超前、逆转向移动碳刷。但这三项措施都会不同程度降低电机效率，但为尽量达到高效目的，应合理选用。飞利浦电机采取了最有效的后二项，与换向片挂线超前8。、逆转向移动碳刷2。，产生的反向旋转电势e。抵消e。和e。。虽电机效率略降1％左右，但寿命测试运转时间达500 h~2上。
(4)风最减小，电机负载减小，减小了困振动、冲击和转子不平衡等不利因素。电机进风口采用塑料套圈，作用相当于硅胶密封，但效率略低，测得电机效率38％，装入吸尘器效率31％。
笔者针对以上情况采取的改进措施是在动叶轮进风部改成弧面设计，风量略增，转速降低l O00r／min。电机效率略有提高，其他眭能未变。
参考飞利浦吸尘器电机设计的优点，我们对采用改进措施制作的电机(全部采用国产配件)进行了综合测试，结果如表4所示。
综上所述，使用目前国内材料和工艺完全可以达到和超过国外先进吸尘器电机的质量水平。 珍珠港现代化中的减速器多数美国人认可二战中珍珠港处于举足轻重的地位，而今天人们惊奇地发现珍珠港已成为美国本土到太平洋舰队最忙碌的港口。该军事基地每年进出港的舰艇多达65 000艘，运送200万人员和20万辆各种车辆。为加速珍珠港的现代化，美国海军于2009年年初开始重新装修大干坞并升级其铰盘——将船舶拖人干坞的强力铰盘。美国海军委托schoelJ Hom AIbrechf公司研制16个新铰盘。为此该公司又挑选了美国Bo血gltoli公司为其研制的一种小型强力行星减速器。三台用于退磁的315型减速器选用了29 4 kw的电动机，其齿速比为122：l，产生转矩达39 600N·m。其余减速器中，三台313型减速器则配置18 37kw的电动机，齿速比为346：l，产生转矩33()(]O N·m；而另外十台311型减速器则选配了11 02 kw的电动机，齿速比为34l：l，产生转矩19 800 N·m。
据介绍，这种减速器的****特点是高效率，高效的新型铰盘选用更小的电动机便可满足海军提出的功率要求：例如，干坞中，电动机尺寸从22 05 kw减至18 37 kw，而且它的冲击负载和撞击现象经常出现，所有设计的元件也可以满足剧烈工况时的要求。另外这种减速器的配置方式多样化，能为客户提供多种安装、齿轮布置、输出轴和电动机接口选择。在这种情况下，它们是具有电动机水平安装的右角度减速器，此时元件为带水平安装式电动机的直角减速器。
带有GUl的可编程传动机构
美国H町don Kerk开发的一款步进电动机直线传动机构是一种可通过GuI完全编程的集成元件，包括直线传动机构、电子驱动和控制器，它利用显示屏上的按钮来实施传动机构的编程，取代了结构复杂的特定编程语言。当用户输入传动机构部件号时，GuI能自动构建电动机和驱动器参数。只要在软件计算的安全范围内自动填充值均可被调整。
标绘器可以显示距离、速度、加速和减速等的移动图像资料。一种交互式调试器可以寻找程序故障，用户向驱动器发出指令，让其一次执行一个程序行或一排执行多行。另外它还具有可编程相电流控制功能(包括在加速、减速、线性变化时提高相电流)，单向电源电压自12～42 v(Dc)，8档光隔离通用数字L／O。该传动机构有被控制、非被控制和表面直线版本，而所有版本的传动机构均有单段铁心长度和双段铁心长度两种。
扁平型电动机
美国Maxon公司研制的Ec9 2扁平型电动机外形仅审10 mm×12．5 mm，额定转矩O 83 mN·m，失速转矩为l 29 mN·m。电动机外径为10 mm，包括其保护罩，电动机安装时可用于辅助安装。电动机选用8极钕永磁体和预负荷滚珠轴承，它町以配置或不配置霍尔传感器。该电动机仅适用于空间狭小的医疗设备。
高性能无刷直流电动机
美国BEI生产的23号高性能元刷直流电动机的机壳和转轴均采用定制加工。它采用标准的高转矩密度设计ccP／NI)IH23 30 BFNA)，在转速为200O r／min时传递的连续功率接近0 735 kw。电动机外形尺寸为58 4 mm×76 2 mm，运行效率大于85％：该电动机适用于一种石膏：拆除能减少儿科病人创伤的系统。
美国M珀west公司生产的MMP D33 12VGP81—308直流齿轮电动机能使用包括电池电源在内的任意12 V(Dc)电源，电动机外形为81 mm×254 mm，带键的输出轴为19mm×40mm。4个M6面装置孔等分在直径65 mm的圆周，安装方便。这种能换向的齿轮电动机在10 r／mm时的额定连续转矩为148 8 N-m，峰值转矩233 6 N·m。12 V(Dc)时仅需2l A便可产生满载转矩，24 V、36 V、48 V、60：V和90 V电动机绕组防护等级为IP54，可以在恶劣环境中运行。为r改变齿轮电动机的转速，可选用MMP25A 12V或M蚴)20A一12V—RsP速度控制。
特殊电动机
美国w·ttens妇公司研制的一款特殊电动机的使用范围超过了标准无刷直流电动机的应用范围。该电动机可满足形式、功能和环境等方面的特殊场合要求，比如****清洁室(宇宙飞船装配工序和医院)、超高真空、极端温度和辐射环境。
石墨换向电动机
美崮Mi㈣o公司研制的小型(37 mm×22 mm) FauIhaber 2237cxR系列直流微型电动机连续转矩为11 1mN·m。这种石墨换向电动机采用sc2804转速控制器或McDc3006运动控制器来实现电动机的转速控制和定位控制。电动机有各种带直径相匹配的从属齿轮传动装置和三通道编码器的附件，它还具有无铁心转子(无齿槽效应／优选转子定位)，无铁耗、电流消耗低、起动电压低，快速加速和制动时转子惯量低等特性，并能进行转速、位置、转矩的
精确控制，运转平稳，功率／体积比比其它直流电动机高。它还有高精度齿轮箱和反馈元件，该系列电动机均可配控制电子元器件。
微型光学编码器
美国M·cr。E公司为满足下一代高精度制造、检测、计量和医疗设备的要求，研制了一款MeKurvⅡ5000微型高分辨率光学编码器。它的短程精度达±20 mm(循环误差)，可编程直线分辨率自5¨m～1 2 nm，而2轴的可编程插值旋转公差为±2。，而行程高度公差±O 15 mm。利用一种新型A一象限一B输出提供速度可达5 rn／s，分辨率O 1 rm，而****速度达lO瑚／s。采用粘结固定的密带尺刻度系统可以控制任何场合中要求的高度计量。该系统可使安装人员从卷带上切割所需长度，粘结底板和使用工具完成其他任务。直线玻璃刻度尺将高精度要求控制在±lm。该编码器的定位指示器属双向，各种速度时的重复精度为l
LsB，而它的故障防止和左右的光学限止也提升了安全性，减少了电缆布线。 |
