Atmega16在開關磁阻電機調速系統(tǒng)中的應用

 摘要：針對開關磁阻電機調速系統(tǒng)的設計要求，提出了以ATMEGA16作為CPU，并利用該單片機硬件和軟件上的優(yōu)點來提高系統(tǒng)處理速度,簡化外圍電路和提高性價比的設計方法。
    關鍵詞：電機調速；開關磁阻電機；標準單脈沖數(shù)；ATMEGA16

1 引言

目前，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，能源短缺問題日趨嚴峻。為此，國家科技部啟動了“863電動汽車重大專項”，而開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor，簡稱SRM）以其啟動轉矩大、調速范圍寬等優(yōu)點被作為未來電動汽車的理想驅動電機之一。開關磁阻電機是一種必須在控制器協(xié)調控制下才能運轉起來的電機，因而控制器性能的好壞直接影響電機的運轉性能。以往控制系統(tǒng)所采用的CPU主要有三種類型：一是采用51系列8位單片機，這種處理器處理速度相對緩慢，功能簡單，外圍電路比較復雜。二是采用196系列16位單片機，這種處理器處理速度比較快，但由于內部外設模塊不夠豐富，因而外圍電路仍相對復雜。三是采用240系列DSP，這種處理器處理速度快，內部外設模塊豐富，但芯片價格昂貴，所以不能得到較廣泛的應用。本文選用Atmel公司出品的ATMEGA16作為CPU來控制開關磁阻電機，大大提高了性價比。

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2 AVR系列單片機

AVR單片機是目前最新的單片機系列之一，具有速度高、片內硬件資源豐富等優(yōu)點，可作為真正意義上的單片機使用。它的最大特點是低功耗和高速度，其掉電方式、閑置方式至工作方式下的耗電約為1μA～2.5μA。該系列單片機采用現(xiàn)代微處理器流水管線預取指令技術，淘汰了機器周期的概念。它以時鐘周期為指令執(zhí)行的基本時間單位，每個時鐘周期可執(zhí)行一條指令。時鐘頻率通常采用4MHz～8MHz，故最短的指令執(zhí)行時間為250ns～25ns。在12MHz頻率下，指令的吞吐量為12MIPS，這是一般MCS-51單片機速度的12倍。AVR系列片內含有模擬比較器，與輸入捕捉功能配合可進行多種模擬控制和轉換。它借鑒了某些機型的高速輸入輸出HSIO和可編程計數(shù)陣列PCA的概念，實現(xiàn)了本身的輸入捕捉、輸出比較和脈沖寬度調制輸出功能，從而成為脈沖信號測量、開關量按時控制及某些直流馬達調速的得力工具。在軟件開發(fā)方面，AVR單片機內含容量不等的閃速程序存儲器（Flash Memory,簡稱Flash），可反復擦寫至少1000次，極大地方便了產品開發(fā)和軟件修改。Flash存儲器中的程序可由PC機串行下載，亦可在通用寫入器上以并行方式寫入。
 3 開關磁阻電機工作原理

所謂磁阻電機是指電機各磁路的磁阻隨轉子位置而改變，因而電機的磁場能量也將隨轉子位置的變化而變化，并將磁能變換成機械能。這種結構與步進電動機相似，開關磁阻電動機的運行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的主軸線重合。圖1為四相開關磁阻電機結構圖，當定子D-D‘極勵磁時，所產生的磁力會力圖使轉子旋轉到轉子極軸線1-1’與定子極軸線D-D’重合的位置，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖1中定、轉子所對的位置作為起始位置，然后依次給D-A-B-C相繞組通電，轉子會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉；反之，若依次給B-A-D-C相通電，則轉子會沿順時針方式轉動?？梢?，開關磁阻電動機的轉向與相繞組的電流方向無關，而僅取決于相繞組通電的順序。

4 系統(tǒng)設計要求及結構實現(xiàn)

對于額定功率為0.75kW、轉速為50～2000r.p.m的8/6極SRM，在低速時可采用PWM方式來控制，而在高速時則應采用單脈沖控制。電機轉子每轉過15°，位置傳感器PIA和PIB會發(fā)生變化并產生一次相中斷，之后MSP430依據(jù)外部操作要求（如正傳或反轉）及當前狀態(tài)來決定下一次輸出狀態(tài)并送給數(shù)字比較器，當與下一次中斷信號一致時，它會向CPU發(fā)送一次中斷，并輸出相信號給邏輯電路，最后驅動電動機。同時依據(jù)此中斷信號計算轉速，以作為高速單脈沖工作狀態(tài)的參考點（對于高速單脈沖，由于在高速時沒有足夠時間精確計算開關角的大小，因而本設計采取每相固定導通30°的控制方式，其實現(xiàn)方法待后詳述）。

當轉速給定后，即可采用調節(jié)電位器輸出模擬量送給ATMEGA16的A/D模塊。系統(tǒng)中的LED用于顯示轉換速等信息，鍵盤用于設定各參量（如方向等）。其控制結構框圖如圖2所示。

4.1 PWM控制

AVR的T/C1除具有定時、計數(shù)、輸入捕捉和輸出比較功能外，還可構成兩個脈沖寬度調制PWM輸出通道。由于經緩沖的PWM輸出可驅動電機，且其轉速正比于OCR1A或OCR1B寄存器的內容。因此，可以利用OCR1A輸出PWM波，再將該信號與各路相輸出信號相與后輸出，從而實現(xiàn)控制各路相信號以及低速調速之目的。

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    4.2 高速單脈沖控制

采用高速單脈沖控制方式時，可使關斷角保持不變，從而使開通角在較寬的范圍內進行調節(jié)，最終實現(xiàn)高速高速。由于AVR系列單片機具有輸入捕捉功能，因此可將PIA或PIB信號送給ICP腳，然后讓ICP1寄存器首先捕捉脈沖上升沿發(fā)生的時間，接著再捕捉下一次上升沿發(fā)生的時間，然后用這段時間除以相間隔的角度15°就可得到標準單脈沖數(shù)。當然，由于中斷處理需要一定的時間，所以要通過軟件修正。這樣就可以高精度控制高速運轉時的開通角和關斷角，從而實現(xiàn)高速單脈沖的軟件控制。

5 軟件示例

5.1 相輸出子程序示例

；正轉相輸出

.def xiin=r16 ;相輸入信號寄存器

；====================

xinoutz:in xiin,pind ;將相輸入信號送給寄存器

andi xiin,$03 ;相與只剩下相信號

cpi xiin,$01 ;是否da輸出

brbc 1,daout ;相等，da輸出

cpi xiin,$03 ;是否ab輸出

brbc 1,about ;相等，ab輸出

cpi xiin,$02 ;是否bc輸出

brbc 1,bcout ;相等,bc輸出

cpi xiin,$00 ;是否cd輸出

brbc 1,cdout ;相等,cd輸出

；====================

；反轉相輸出

；====================

xinoutf:in xiin,pind ;將相輸入信號送給寄存器

andi xiin,$00 ;相與只剩下相信號

cpi xiin,$01 ;是否da輸出

brbc 1,daout ;相等，da輸出

cpi xiin,$02 ;是否ab輸出

brbc 1,about ;相等，ab輸出

cpi xiin,$03 ;是否bc輸出

brbc 1,bcout ;相等,bc輸出

cpi xiin,$01 ;是否cd輸出

brbc 1,cdout ;相等，cd輸出

；====================

daout:sbic pinb,4 ;開通a相低電平有效

sbic pinb,7 ;開通d相？

sbis pinb,5

sbis pinb,6

ret

about:sbic pinb,4 ;開通a相

sbic pinb,6 ;開通b相
sbis pinb,5

sbis pinb,7

ret

bcout:sbic pinb,5 ;開通c相

sbic pinb,6 ；開通b相？

sbis pinb,7

sbis pinb,4

ret

cdout:sbic pinb,5 ;開通c相

sbis pinb,7 ;開通d相？

sbis pinb,4

sbis pinb,6

ret

5.2 速度采集顯示子程序示例

.include "m16def.inc"

.org $001c

rjmp adcint

.def channel=r29 ;模擬通道號

.def lresult=r2 ;轉換低字節(jié)

.def hresult=r3 ;轉換高字節(jié)

.def temp=r16

.equ sample=$0060 ;采樣數(shù)據(jù)1緩沖區(qū)首地址

.equ SAMPLE2=$0063 ;采樣數(shù)據(jù)2緩沖區(qū)首地址

.def round=r17 ;顯示回合計數(shù)器

.def outer=r19 ;存放外環(huán)計數(shù)器

.def inner=r18 ;存放內環(huán)計數(shù)器

.equ slabel=$0400 ;字符碼首地址

.def hxian=r2 ;存放預顯示高字節(jié)

.def lxian=r1 ;存放預顯示低字節(jié)

；采集顯示速度占用系統(tǒng)資源r1r2s3r4r16,$60～$69

adcin:ldi channel,$04 ;從4通道開始

out admux,channel

ldi r16,$ee ;自由運行方式

out adcsr,r16 ;啟動轉換

clr xh ;建立sram指針

ldi x1,$60

inc channel ;通道號增1

out admux,channel ;選通道4

sbi adcsr,3 ;開啟ad中斷

ldi r28,$03 ;轉換次數(shù)

adhere:rjmp adhere ;等待中斷

adcint:in lresult,adcl ;讀轉換結果

in hresult,adch

st x+,lresult

dec r28

brne adnextc
rjmp adret

adnextc:ldi r28,$03 ;轉換次數(shù)

inc channel ;通道號加1

out admux,channel ;選下一個通道

cpi x1,$70 ;轉換的是通道7嗎

brme adret ;否，返回

cbi ADCSR,7 ;是，停止轉換

adret:reti

6 結束語

實際使用證明：Atmel公司出品的ATMEGA16系列單片機具有處理速度快，內部外設功能模塊豐富等優(yōu)點，是一種性價比較高的單片機，特別適用于電池供電、便攜式以及電機驅動等系統(tǒng)。本文的開關磁阻電機充分利用了該單片機豐富的內部外設模塊，因而簡化了外圍電路，大大提高了性價比。