基于arm9的直流電機控制系統設計-資料下載頁

【導讀】是保護電機應用的一個重要技術。直流電動機具有調速性能好，能耗低，減整器。供了更多的靈活性來控制直流電機，并且該系統可以實現更高的性能。機控制系統，可以降低系統成本，節約人力資源，提高工作效率。結構簡單，可靠性高的優點，操作維修方便。因此，直流電動機的起動和調速要求較高的機械廣泛用于保持轉矩，但因為需要維護換向器，更多的麻煩，3000小時左右更換刷。直流電機的高速特性是其致命的缺。迅速下降，加入了半導體開關器件，高性能小型直流電機固有的優點是從新整合，已成為一個源體積小，效率高，穩定可控，便宜。究直流電機的速度控制，有十分重要的意義。的精度在所需要的轉速穩定運行，在各種干擾不允許有過大的轉速波動。驅動不夠就可以采用兩個L298N。另外一組5V、9V電源給L298N的+VSS、+VS供電。光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質。電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結構參數。可以看出，轉速和U、I有關，

　　

【正文】 置傳感器 轉子位置傳感器是永磁無刷直流電機的關鍵部件。它對電機轉子位置進行檢測，其輸出信號經過邏輯變換后去控制開關管的通斷，使電機定子各相繞組按順序導通，保證電機連續工 作。轉子位置傳感器也由定、轉子組成，其轉子與電機本體同軸，以跟蹤電機轉子的位置；其定子固定于電機本體定子或端蓋上，以感應和輸出轉子位置信號。轉子位置傳感器的主要技術指標為：輸出信號的幅值、精度，響應速度，工作溫度，抗干擾能力，損耗，體積重量，安裝方便性以及可靠性等。其種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關式、正余弦旋轉變壓器式以及編碼器等。 其中最常用的有以下幾種： （ 1）霍爾元件式位置傳感器 霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導體器件，是利用霍爾效應制成的。當霍爾元件按要求通以電流 并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。用霍爾元件作轉子位置傳感器通常有兩種方式。第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機 端蓋內表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝在與電機軸同軸的永磁體，如圖 。對于兩相導通星形三相六狀態無刷直流電機，三個霍 爾元件在空間彼此相隔 120176。電角度，永磁體的極弧寬度為 180176。電角度。這樣，當電機轉子旋轉時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬度為 180176。電角、相位互差120176。電角的矩形波信號。 第二種方式是直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表 面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉子上的永磁體主極作為傳感器的永磁體，根據霍爾元件的輸出信號即可判斷轉子磁極位置，將信號放大處理后便可驅動逆變器工作。 如圖 312所示，霍爾元件式位置傳感器結構簡單、體積小、價格低、可靠，但對工作溫度有一定要求，同時霍爾元件應靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對性能和環境要求不是很高的永磁無刷直流電機應用場合大量使用霍爾元件式位置傳感器。 圖 312 霍爾元件式位置傳感器結構 （ 2）電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁 繞組和輸出繞組組成。轉子由扇形磁芯和非導磁襯套組成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當轉子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉子磁芯耦合，輸出繞組中則感應出高頻信號，經濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。這種傳感器具有較高的強度，可經受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經過放大便可直接驅動開關管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過于笨重復雜，因而大大限制了其在普通條件下的應用。 （ 3）光電式位置傳感器 光電式位置傳感器由 固定在定子上的幾個光電耦合開關和固定在轉子軸上的遮光板所組成。幾個光電耦合開關沿圓周均布，每只光電耦合開關由相互對著的紅外發光二極管和光敏三極管組成。遮光盤處于發光二極管和光 敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發光二極管通電后發出紅外光，當遮光盤隨電機轉子一同旋轉時，紅外光間斷的照在光敏三極管上，使 其不斷導通和截至，其輸出信號反應了轉子的位置，經過放大后去驅動逆變器開關管。光電式位置傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強，調整方便，因此獲得了廣泛的應用。 近年來，無位置傳感器的永磁無刷直流電機 發展比較快。它省去了轉子位置傳感器，因而電機結構簡單、體積小、可靠性高。當電機體積較小、位置傳感器難以安裝時或電機工作在惡劣環境中以致于位置傳感器工作的可靠性難以保證時，這種無位置傳感器的永磁無刷直流電機更顯示出其獨特的優越性。無位置傳感器的無刷直流電機的主要弱點是起動轉矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動。當電機轉子采用永磁體勵磁時，永磁體 的強磁場使得電機在較低速度時就可以檢測到電樞繞組反電動勢，在較低轉 速下實現電機的自同步運行狀態切換，從而加快電機的起動過程，實現寬的調速范圍。 2 霍爾器件在 無刷直流電機中的應用 當霍爾傳感器用作無刷直流電機轉子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機定子的適當位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當無刷直流電機的永磁轉子經過霍爾器件附近時，永磁轉子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發出信號使得定子繞組供電電路導通，給相應的定子繞組供電，從而產生和轉子磁場極性相同的磁場，推斥轉子繼續轉動。當轉子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應定子繞組通電，產生推斥場使轉子繼續轉動，如此循環，維持電 機運轉。 周邊保護電路 電流采樣及過電流保護 圖 313 電流采樣及過流保護圖 1 電流信號 電機主回路電流信號經采樣電阻獲得。電流信號經過 LM358放大，由單片機PIC16F72A/D通道 RA1（管腳 2）輸入，并進行控制處理。同時。電流采樣信號通過 LM358與一固定電壓值比較，當電壓的電流過大時， LM358輸出高 電平，送入 GAL16V8直接關斷輸出，進行邏輯保護。 2 電流采樣 通常對電機三相電流進行控制需要三個獨立的電流閉環，而永磁無刷直流電機采用兩相導通方式，即 電機三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電，導通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時刻只需控制一個電流量。 電流采樣方式可采取直接采樣兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。對于永磁無刷直流電機多采用后一種方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測電路上串入一個小電阻，用小電阻上的壓降反映電流的大小；另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場平衡式霍爾電流傳感器。考慮到本控制系統的成本問題，本系統采用第一種電流采樣方式。 3 過流保護 過流保護電路可以對 MOSFET進行 保護，將最大電流控制在設定范圍內，當達到閥值時關閉電機，避免了 MOSFET上通過大電流燒毀的危險。過流保護是控制器的最后防線，過流保護電阻用的是康銅絲，當系統電流超過最大保護電流值時，康銅絲會燒斷，從而起到保護作用。 圖 314 過流保護原理圖 LM358 雙運放大電路 如圖 315所示， LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳 感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 圖 315 LM358引腳功能圖 欠電壓保護 圖 316 欠電壓保護電路圖 如圖 317所示，電池電壓經分壓后接單片機 RA1（管腳 3），由單片機采入進行監控。當電池電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對于無刷直流電機控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號對控制系統完成相當完善與靈活的保護，這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。 電源電路 圖 317 電源電路圖 如圖 317所示， 36V電池送入 U1 U1 U15穩壓器輸出 +15V和 +5V給 PIC單片機和 IR2110供電。 第 4 章 無刷直流電動機軟件設計 直流無刷電機控制器程序的設計概況 該程序在設計的過程中 , 首先要上電復位 , 然后初始化時鐘和中斷源 , 再打開中斷 , 當檢測到轉把的輸人電壓時 , 將該電壓經 A/D轉換后按算法計算出PWM的占空比輸出 PWM波。隨后采樣位置傳感器產生霍爾信號 , 將該信號的狀態與電機固定的相位序列進行比較 , 判斷電機的相位是否正確。若正確 , 輸出波 PWM, 否則 , 重新復位。欠壓檢測是根據需要設定欠壓值 , 然后采樣當前電源電壓 , 若電壓低于設定值 ,則關閉輸出 , 相反 , 則進行限流保護檢測。限流保護檢測是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經放大、 A/D轉換后與設定的電流限定值進行比較 , 若高于最高限定值 , 則關閉輸出 , 反之 , 則正常運行。在運行的過程中應時刻檢測是否有剎車信號輸人 , 若有剎車信號輸人 , 則關閉輸出。 系統各部分功能在軟件中的實現 1 驅動控制 驅動控制通過查表實現霍爾元件狀態到輸出狀態的轉換。直流無刷電機的 3個霍爾元件組合起來有 8種狀態 , 其 中 6種是有效的 , 對應 1個輸出的狀態。這 6個狀態對應沒有明顯的簡單數量關系 , 所以要實現映射 , 查表是最快捷的方式。若電機需要反轉 , 只需增加一個反轉狀態表即可。正反轉驅動只在于電流換相順序的不同 , 反映到程序中僅在查表處有區別 , 所以正反轉可共用一個驅動程序。 2 啟動 理論上講 , 轉子位置過磁場換相臨界點時 , 電流換相的速度越快越好。根據這一想法 , 可以將霍爾信號的改變設置為中斷 , 從而轉子的換相可以得到立即響應。但是在電動自行車控制場合 ,這樣的想法是沒有必要的。電動自行車直流無刷電機的轉速相對來說很低 。設電動自行車運行在最高速 20km/s(這是國家法律規定的速度限制 ), 而其使用的小徑輪胎 , 則霍爾信號改變的時間為。這個時間遠遠大于單片機主程序循環一周需要的時間 (約 ), 所以將霍爾元件信號狀態的檢測工作放在主程序中即可。這樣做的好處是可以減小中斷程序的執行時間 , 程序運行更加流暢。 3 PWM中斷時間控制 中斷時間的控制與定時器時間控制相似。定時器在每個時間周期增加 1。它在計數滿后復位到 00h重新開始 , 同時產生一個中斷信號。若想控制定時器定時時間 , 可以在其中斷程 序里面將定時器置數 , 定時器便從這個數開始計數直到溢出。這樣定時時間可以由這個寫入定時器寄存器的數值控制。須注意對有的定時器計數值寄存器寫的時候 , 會把預分頻值清除 , 因此必須在寫計數值的同時重新寫預分頻值控制字。 PWM中斷的發生與定時器不同的是 :它的發生不是由于定時器溢出 , 而是由于定時器 TIMER2與 PWM周期寄存器 PR2值相等。因此 , 要在中斷程序中控制下次PWM中斷的時間有兩個方法 :一是改變 PR2值 , 一是對 TIMER2置數 , 改變其初始值。值得注意的是 :改變 TIMER2會連帶將其預分頻值改變為默 認值 , 因此需要同時修改預分頻值才能達到預想的效果。 4 剎車控制 剎車控制在主程序里面 , 主程序時刻檢測剎車信號 , 當有剎車信號 , 關斷波的輸出若沒有剎車信號 , 根據轉把輸入的電壓 , 控制波的輸出。 5 電源電壓檢測 電壓檢測也是在主程序里 ,電源電壓由于受到負載的影響 , 因此檢測值需要結合電源負載電流情況來綜合判斷。 6 PWM脈寬時間算法 PWM周期和占空比計算公式為 : PWM周期 =[(PR2)+l]*4*TOSC*(TMR2預分頻值 )， TOSC為晶振周期 : PWM占空比 =(CCPRIL:CCPICON5:4)*TOSC*(TMR2預分頻值 )。 計 算 脈 沖 寬 度