基于单片机的步进电机控制系统设计？

基于单片机的步进电机控制系统设计？

基于ATmega8的新型电动自行车调速控制系统设计

  摘要：介绍了一种以AVR单片机ATmega8为主控芯片的新型电动自行车调速控制系统的设计方案给出了系统的硬件构成和软件设计方法。实验证明：该系统性能可靠、成本较低，是一种实用的无刷直流电动机调速系统。

   关键词：ATmega8；无刷直流电动机；调速控制系统

１ 引言

当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一１。它以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作动力，具有无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观等特点特别适合在人口较集中的大中城市中使用。但目前市场上的电动自行车还存在着一些不够完善的地方，尤其是电机控制方面有待于进一步提高。本文根据无刷直流电机的原理，利用美国Ａｔｍｅｌ公司２００２年推出的一款新型ＡＶＲ高档单片机ＡＴｍｅｇａ８作为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点具有一定的实用价值。



２ ATmega8芯片简介

ＡＴｍｅｇａ系列单片机承袭了ＡＶＲ系列中ＡＴ９０所具有的特点 并增加了更多的接口功能 而且在省电性、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善。ＡＴｍｅｇａ８属于ＡＴｍｅｇａ系列单片机(ＡＴｍｅｇａ１６／ＡＴｍｅｇａ３２／ＡＴｍｅｇａ６４／ＡＴｍｅｇａ１２８)的一个子集, 其内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路, 并且在软件上能有效支持Ｃ高级语言及汇编语言。

ＡＴｍｅｇａ８是一款采用低功耗ＣＭＯＳ工艺生产的基于ＡＶＲ ＲＩＳＣ(精简指令集)结构的８位单片机。ＡＶＲ单片机的核心是将３２个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起, 所有的工作寄存器都与ＡＬＵ(算术逻辑单元)直接相连, 可在一个时钟周期内用一条指令同时访问(读写)２个独立的寄存器。这种结构可提高代码效率,使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期，故可达到将近１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ的性能, 运行速度比普通单片机高出１０倍。ＡＴｍｅｇａ８的主要性能特点如下:

(１)高性能、低功耗的８位ＡＶＲ微控制器。采用先进的ＲＩＳＣ精简指令集结构；有１３０条功能强大的指令, 大多数为单周期指令；内含３２个８位通用工作寄存器；工作在１６ＭＨｚ时指令处理速度为１６ＭＩＰＳ。

(２)片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器。８ｋ字节的Ｆｌａｓｈ程序存储器的 可擦写次数大于１００００次；５１２个字节Ｅ２ＰＲＯＭ的擦写次数至少可达１０００００次；支持在线编程(ＩＳＰ)和在应用编程(ＩＡＰ)；带有可编程的程序加密位。



   (３)丰富强大的外部接口。带有２个带预分频的８位定时／计数器、１个带预分频的１６位定时／计数器；３个ＰＷＭ 通道可实现任意１６位以内相位和频率可调的ＰＷＭ 脉宽调制输出；６通道Ａ／Ｄ转换；一个Ｉ２Ｃ串行接口、一个可编程的ＵＳＡＲＴ接口、一个支持主／从、收／发的ＳＰＩ同步串行接口；带片内ＲＣ振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器。

(４)具有特殊的微控制器性能。内含可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路；芯片内部和外部共有１８个中断源；５种休眠模式(空闲、ＡＤＣ噪声抑制、省电、掉电、待命)。



３ 系统硬件设计

整个系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、ＭＯＳＦＥＴ全桥电路、限流电路等，图１所示是其原理框图。其中无刷直流电机由电动机本体、转子位置检测器和电子开关电路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置检测器可随时检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向。

３．１ 转子位置检测电路

本设计中的无刷直流电动机有２对磁极定子绕组采用三相型接法３个霍尔位置传感器的空间间距为６０°即电角度为１２０°。３个霍尔传感器的输出Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３分别直接接到ＡＴｍｅｇａ８的２６、２７、２８脚，运用这三个脚的数模转换功能(ＡＤＣ)可对霍尔信号进行采样和转换。

３．２ 电机转速控制电路

ａ．测速电路

要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制首先要准确地测量出它的转速。本设计利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路后送至单片机的ＰＤ３脚该引脚可作为外部中断源的输入口。随着电动机的转动ＰＤ３将不断接收到脉冲信号。当ＰＤ３接收到一个上升沿时将启动定时器Ｔ０以开始计时，直至接收到下一个相邻的上升沿为止，定时器Ｔ０的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间据此即可计算出电动机的转速。



图3



   ｂ．换向调速电路

无刷直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类４。由于前者所受的各类限制较多，且励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的是改变电枢端电压以实现调速的电枢电压控制法。设直流电源电压为Ｕｄ，为电枢串联一个电阻Ｒ并接到电源Ｕｄ，则电枢两端的电压Ｕａ为Ｕａ＝Ｕｄ－ＩａＲ，显然调节电阻Ｒ即可改变端电压从而达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率较低。随着电力电子技术的发展出现了许多新的电枢电压控制方法。ＰＷＭ脉宽调制　就是其中之一，其基本原理如图２所示。

设加在电机电枢两端的矩形波的幅值电压为Ｕｄ 则电机电枢两端电压的平均值为

Ｕａ＝(Ｔ１－Ｔ２)Ｕｄ／(Ｔ１＋Ｔ２)＝(２Ｔ１／Ｔ２－１)Ｕｄ＝(２α－１)Ｕｄ

其中α为占空比，通过改变α的值可达到调压的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范围是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而电机可以在正、反两个方向调速运转。

图３所示是一种电动自行车无刷直流电机调速系统的部分原理图。通过图中单片机可采样电动自行车手柄上可调电阻的电压，再经Ａ／Ｄ转换后送到ＰＷＭ寄存器，从而控制单片机的ＰＢ１脚，输出占空比可调的ＰＷＭ 信号。该信号和来自限流电路ＬＭ３５８比较器的输出信号一起通过软件比较，在限流电路不工作的情况下输出ＰＷＭ信号，以配合软件控制的ＰＢ０、ＰＤ５和ＰＤ６引脚来驱动相应的光耦，进而控制ＭＯＳＦＥＴ全桥电路换相导通，实现电机的换向。因此,通过调节单片机ＰＷＭ信号的占空比,最终可改变加在电动机定子绕组上的电压,从而实现电动机的调速。



４ 系统软件控制

ＡＴｍｅｇａ８在软件上能有效支持Ｃ语言及汇编语言。Ｃ语言目前已成为设计嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问方便、代码效率高的特点。本设计是用Ｃ语言编程实现的，具有很好的可移植性，其程序流程图如图４所示。



５ 结束语

用本方案设计的电动自行车调速控制系统在实验运行过程中获得了良好的动、静态特性。高性价比ＡＴｍｅｇａ８单片机的运用大大降低了成本，提高了软件设计灵活性，丰富了硬件接口功能，为今后系统升级创造了良好条件。