基于AVR單片機(jī)的直線開關(guān)磁阻電機(jī)高精度位置控制

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的品種很多，作用也相當(dāng)廣泛。直線開關(guān)磁阻電機(jī)時(shí)一種新型的牽引電機(jī)。其主要有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制作成本不高。工作穩(wěn)定且能夠在惡劣的環(huán)境下長時(shí)間正常工作，比如高溫環(huán)境，開關(guān)磁阻電機(jī)有較好的散熱性能，可以在高溫下正常工作。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)磁阻電機(jī)控制將會(huì)變得更加容易并且控制效果更好。這種電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，調(diào)速范圍廣。直線開關(guān)磁阻電機(jī)除了具有以上優(yōu)點(diǎn)以外，在一些需要做直線運(yùn)動(dòng)的場合，它顯示出了強(qiáng)大的優(yōu)越性：再也不需要像傳統(tǒng)的做直線運(yùn)動(dòng)的裝置那樣，通過絲桿等傳動(dòng)裝置將旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。這樣再一次的將中間環(huán)節(jié)給節(jié)省下來了，不僅降低了設(shè)備的成本，而且能量利用率也得到了提高。開關(guān)磁阻電機(jī)控制精度高，在高精度加工領(lǐng)域和大功率傳輸方面有廣泛的應(yīng)用前景。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

現(xiàn)在有很多高精度加工平臺(tái)需要直線運(yùn)動(dòng)的牽引機(jī)構(gòu)，而目前的加工平臺(tái)大部分都是利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)做牽引，再通過機(jī)械傳動(dòng)裝置將運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)加以利用。這樣不僅設(shè)備成本會(huì)很高，而且效率也不高。而直線開關(guān)磁阻電機(jī)本身的運(yùn)動(dòng)形式就是直線的，如果運(yùn)用到這些設(shè)備上的話就會(huì)大大降低設(shè)備成本且效率也將會(huì)得到提高。

二、需求分析

本次設(shè)計(jì)大體分為四大部分：

（1）系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)的建立、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)等過程。

（2）基于單片機(jī)A/D，D/A，PWM等資源的應(yīng)用。

（3）電機(jī)模塊的設(shè)計(jì)。

2.1 功能要求

（1）電流傳感器

傳感器負(fù)責(zé)采集直線電機(jī)電流以反饋給控制器進(jìn)行處理。

（2）位置編碼器

位置編碼器將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)的位置反饋給控制器處理。

（3）微控制器

微控制器負(fù)責(zé)處理傳感器采集的電流、編碼器反饋回來的位置。當(dāng)位置指令給出以后，電機(jī)準(zhǔn)確且迅速運(yùn)動(dòng)到指定位置。

（4）鍵盤模塊

鍵盤模塊負(fù)責(zé)給定輸入。

直線開關(guān)磁阻電機(jī)位置控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 性能要求

（1）穩(wěn)定性

該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，抗干擾能力好。

（2）快速性和實(shí)時(shí)性

電機(jī)能夠迅速的動(dòng)作達(dá)到指定位置，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。

（3）準(zhǔn)確性

電機(jī)能夠準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)到指定位置。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)主要分為5個(gè)部分，包括位置檢測部分、電流采集部分、MCU控制部分、電機(jī)模塊、按鍵輸入給定位置部分。系統(tǒng)通過MCU的并口I/O一直檢測各路傳感器狀態(tài)，按照給定輸入值進(jìn)行動(dòng)作。

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

MCU控制部分采用Atmel公司提供的一款基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的EVK1100模塊。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

為了突出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，軟件設(shè)計(jì)按鍵輸入的給定。值和編碼器輸入的位置都采用中斷的方式來處理。具體軟件流程圖2和圖3所示。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

圖2 微控制器工作流程圖

圖3 中斷子程序流程

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

在電機(jī)的位置控制精度在1um級(jí)的前提下，盡量提高其位置控制精度。嘗試各種高級(jí)算法（魯棒控制、自適應(yīng)以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）在保證精度的前提下，達(dá)到實(shí)時(shí)控制。