無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

1 引言

當(dāng)前，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲無污染、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，同時也得到了極大的發(fā)展，電動自行車便是其中之一。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動能源，以電動機(jī)作動力，具有無廢氣污染、“零排放”、無噪音、輕便美觀等特點特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場上的電動自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機(jī)控制方面有待于進(jìn)一步提高。本文根據(jù)無刷直流電機(jī)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(jī)ATmega8作為主控芯片設(shè)計了一種無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件設(shè)計靈活、適用面廣、價格低廉等優(yōu)點具有一定的實用價值。

2 ATmega8芯片簡介

ATmega系列單片機(jī)承襲了AVR系列中AT90所具有的特點，并增加了更多的接口功能而且在省電性、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面都更加周全和完善。ATmega8屬于ATmega系列單片機(jī)(ATmega16/ATmega32/ATmega64/ATmega128)的一個子集, 其內(nèi)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高級語言及匯編語言。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC(精簡指令集)結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。AVR單片機(jī)的核心是將32個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, 可在一個時鐘周期內(nèi)用一條指令同時訪問(讀寫)2個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)可提高代碼效率,使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期，故可達(dá)到將近1MIPS/MHz的性能, 運行速度比普通單片機(jī)高出10倍。ATmega8的主要性能特點如下:

(1)高性能、低功耗的8位AVR微控制器。采用先進(jìn)的RISC精簡指令集結(jié)構(gòu);有130條功能強(qiáng)大的指令, 大多數(shù)為單周期指令;內(nèi)含32個8位通用工作寄存器;工作在16MHz時指令處理速度為16MIPS。

(2)片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。8k字節(jié)的Flash程序存儲器的可擦寫次數(shù)大于10000次;512個字節(jié)E2PROM的擦寫次數(shù)至少可達(dá)100000次;支持在線編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP);帶有可編程的程序加密位。

(3)豐富強(qiáng)大的外部接口。帶有2個帶預(yù)分頻的8位定時/計數(shù)器、1個帶預(yù)分頻的16位定時/計數(shù)器;3個PWM 通道可實現(xiàn)任意16位以內(nèi)相位和頻率可調(diào)的PWM 脈寬調(diào)制輸出;6通道A/D轉(zhuǎn)換;一個I2C串行接口、一個可編程的USART接口、一個支持主/從、收/發(fā)的SPI同步串行接口;帶片內(nèi)RC振蕩器的可編程看門狗定時器;片內(nèi)模擬比較器。

(4)具有特殊的微控制器性能。內(nèi)含可控制的上電復(fù)位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路;芯片內(nèi)部和外部共有18個中斷源;5種休眠模式(空閑、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待命)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測電路、測速電路、調(diào)速電路、MOSFET全橋電路、限流電路等，圖1所示是其原理框圖。其中無刷直流電機(jī)由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子開關(guān)電路三部分組成。直流電源通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。

3.1 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

本設(shè)計中的無刷直流電動機(jī)有2對磁極定子繞組采用三相型接法3個霍爾位置傳感器的空間間距為60°即電角度為120°。3個霍爾傳感器的輸出H1、H2、H3分別直接接到ATmega8的26、27、28腳，運用這三個腳的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能(ADC)可對霍爾信號進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路

a.測速電路

要對無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確的控制首先要準(zhǔn)確地測量出它的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。先將位置傳感器信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路后送至單片機(jī)的PD3腳該引腳可作為外部中斷源的輸入口。隨著電動機(jī)的轉(zhuǎn)動PD3將不斷接收到脈沖信號。當(dāng)PD3接收到一個上升沿時將啟動定時器T0以開始計時，直至接收到下一個相鄰的上升沿為止，定時器T0的計時結(jié)果便是電動機(jī)轉(zhuǎn)動一圈所需的時間據(jù)此即可計算出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。