基于Atmega8L單片機(jī)穩(wěn)壓控制的定頻調(diào)寬變速控制系統(tǒng)的電路

為了模擬深海高壓環(huán)境，研制了一套深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，在對深海環(huán)境模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種針對壓力的闊環(huán)控制策略，采用以Atmega8L單片機(jī)為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動電路、以Max7219為核心的顯示電路，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓控制的定頻調(diào)寬變速控制系統(tǒng)的硬件電路，并進(jìn)行了相應(yīng)的軟件編制，實(shí)現(xiàn)了控制電路各模塊的自由組合，以滿足不同場合的需求，又可組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，不但能夠顯著提高深海環(huán)境模擬裝置的壓力控制精度，同時(shí)還具有節(jié)能的效果。

深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落，對該環(huán)境下進(jìn)行的生物成礦作用、生命起源等的問題研究，將有助于闡明深海微生物受壓力調(diào)節(jié)的代謝機(jī)制，獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源，對地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科研究具有重大的意義。然而由于其處于深海極端環(huán)境這一特殊性，難以身臨其境進(jìn)行觀察與研究，需要在實(shí)驗(yàn)室建立海底極端環(huán)境的模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來配合相關(guān)科學(xué)研究。

針對深海環(huán)境的特殊性，開發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗(yàn)裝置，本文主要探討該裝置壓力精確穩(wěn)定控制電路設(shè)計(jì)及控制軟件開發(fā)中的相關(guān)問題。

1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)組成

1．1 設(shè)計(jì)要求

研究工作以及要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

1)壓力控制范圍為0～20 MPa，精度為+2％FS，最小的壓力梯度為1％／min；

2)對壓力的精確穩(wěn)定控制，在全工作范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

3)對壓力、流量實(shí)時(shí)曲線及數(shù)字顯示，具有曲線記錄及回放功能。

1．2 系統(tǒng)組成

該模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括由水泵、深海環(huán)境模擬艙、水箱和管路等組成的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，及其監(jiān)測與控制系統(tǒng)，可模擬海底熱液口的極端海洋環(huán)境，也可模擬一般的海洋環(huán)境，還可以完成樣品的培養(yǎng)、加樣、取樣等，其中泵的流量可以根據(jù)需要在輸出流量范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，功能切換可以通過截止閥的開或關(guān)來實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要完成溫度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測及控制。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

本文主要介紹壓力精確穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其它部分另文介紹。系統(tǒng)中的電機(jī)選用調(diào)速性能好、體積小、效率高的三相無刷直流電機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)價(jià)格低，片內(nèi)資源豐富，且可以靈活編制程序，所以采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。工作時(shí)，傳感器把檢測到的管路壓力及負(fù)載轉(zhuǎn)速反饋到單片機(jī)，進(jìn)一步去觸發(fā)由PI構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，以PWM方式對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)帶動油泵工作提供連續(xù)可調(diào)的壓力源。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，本控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動電路、顯示電路、RS485接口電路組成。本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng)，霍爾位置傳感器的位置信號處理后送專用驅(qū)動芯片后產(chǎn)生一個(gè)速度脈沖信號，經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運(yùn)用增量式Pl算法，得到PWM控制信號，經(jīng)光電耦合電路驅(qū)動專用集成驅(qū)動芯片閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；同時(shí)單片機(jī)還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時(shí)單片機(jī)將封鎖PWM輸出信號，使電機(jī)停機(jī)，并通過LED電路顯示故障。考慮到應(yīng)用的場合不同，對控制系統(tǒng)的需求也不同，本文設(shè)計(jì)各功能部件時(shí)考慮相互獨(dú)立性并保留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

2．1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由Atmega8L單片機(jī)、PWM信號產(chǎn)生及處理電路、電流檢測電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、隔離電路及接口電路組成。

2．1．1 PWM信號產(chǎn)生及處理電路設(shè)計(jì)

在本控制系統(tǒng)中，主要是利用ATmega8L內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生定頻調(diào)寬的PWM波信號來控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這里采用ATmega8L的Timer2工作在快速PWM模式下，產(chǎn)生高頻的PWM波形，波形產(chǎn)生后需要進(jìn)行處理才能得到所想要的輸出信號，處理電路如圖3所示。

2．1．2 電流檢測電路設(shè)計(jì)
本文采用Allegro公司的ACS712集成芯片擴(kuò)展外圍電路進(jìn)行測量。ACS712由霍爾元件、霍爾電流驅(qū)動元件、偏差調(diào)整電路、信號恢復(fù)電路、信號放大電路組成，具有價(jià)格低、精度高、絕緣性能好等特點(diǎn)。電流檢測電路如圖4所示。ACS712在電流為零時(shí)7腳Vo輸出2．5 V，故設(shè)計(jì)了一個(gè)精密電阻RP1分壓產(chǎn)生2．5 V電壓，使放大電路輸出電壓Uo從0 V開始線性變化；為提高電阻分壓帶負(fù)載能力，既使2．5 V電壓不隨后級電路影響，這里采用了一級電壓跟隨器使輸出Ui2為2．5 V。據(jù)疊加原理可算出圖4中Uo為：

從式(3)可以看出輸出電壓與夾在1、2和3、4腳之間電流成正比。將此電壓送入ATmega8L的A／D轉(zhuǎn)換器處理即可得到電機(jī)的工作電流，應(yīng)用此電流可以對無刷直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制及過流保護(hù)。

2．1．3 轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速檢測對于控制系統(tǒng)非常重要，由于控制系統(tǒng)主要是由轉(zhuǎn)速構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。由驅(qū)動電路通過霍爾IC輸出位置信號，無刷直流電機(jī)每轉(zhuǎn)一周輸出12個(gè)脈沖FG信號，但這些脈沖信號干擾比較大，不能直接被ATmega8L處理，所以必須對脈沖FG信號進(jìn)行濾波提取。如圖5所示，由于驅(qū)動電路開路輸出，所以電路加了上拉電阻R11。FG信號諧波比較多，設(shè)置C4起到濾波的作用，其值大小比較難確定，需要通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整。FG信號通過P521在3腳產(chǎn)生一個(gè)比較穩(wěn)定、無諧波的FG’信號，其中G5不能選用過大，否則FG’信號會失真，以致ATmega8L識別不出來。ATmega8L內(nèi)部Timerl具有16位的輸入捕捉單元，通過外部引腳ICP1來捕捉外部事件。讀取ICR1時(shí)捕捉寄存器先讀低字節(jié)ICR1L，然后再讀捕捉寄存器高字節(jié)ICR1H。再根據(jù)兩次捕捉寄存器的差值就可以算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

隔離電路是為了避免驅(qū)動電路及其接口電路受強(qiáng)電壓的影響，在外電路接口線上加的光電耦合隔離，以保證電路正常運(yùn)行。

2．2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動電路是主控電路與無刷直流電機(jī)之間的橋梁，本控制系統(tǒng)采用日立公司的專用集成無刷直流控制芯片ECN30206。ECN30206專用集成無刷直流控制芯片適用于直流500 V電壓、1 A以下，功率在20～300 W的三相有位置傳感器的無刷直流電機(jī)。ECN30206驅(qū)動芯片由內(nèi)部自帶6個(gè)全橋IGBT開關(guān)管(上橋臂和下橋臂)及每個(gè)IGBT都帶保護(hù)的續(xù)流二極管，用于3個(gè)上橋臂電壓提升的電荷泵電路、無刷直流電機(jī)方向控制電路，為ECN30206驅(qū)動芯片產(chǎn)生時(shí)鐘的聲表面波產(chǎn)生電路、PWM產(chǎn)生電路、三相非配器、過流及欠壓保護(hù)電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路組成。三相分配器內(nèi)部具有換相控制表，依據(jù)表格中相對照的值來合理分配各個(gè)橋臂的通斷狀態(tài)。根據(jù)ECN30206集成驅(qū)動芯片的內(nèi)部原理分析和霍爾開關(guān)芯片的工作原理可以設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動電路如圖6所示。

該系統(tǒng)采用的是4對磁極的無刷直流電機(jī)，所以一個(gè)機(jī)械角為90°，電導(dǎo)通角為30°，因而3個(gè)霍爾開關(guān)集成芯片EW632需每隔30°放一個(gè)，以檢測無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子的位置。3片EW632輸入信號與開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

1)內(nèi)部PWM各項(xiàng)參數(shù)的確定

內(nèi)部PWM波的頻率由聲表面振蕩器(SAW)、11腳接的電容CTR和12腳接電阻RTR確定，如式：

FPwm=0．494／(CTRxRTR) (4)

本系統(tǒng)選用的CTR為1 800 PF，RTR為22 kΩ，據(jù)式(4)可得PWM頻率為12．5 kHz。

PWM占空比由13腳輸入的模擬電壓VSP確定。當(dāng)VSP的值小于聲表面振蕩器幅值的最小值Vsawl時(shí)，PWM占空比為0％，所有的IGBT管都將關(guān)閉；當(dāng)VSP的值大于聲表面振蕩器的最大值VsawH時(shí)，PWM占空比為100％；當(dāng)VsawL≤VSP≤VsawH時(shí)占空比P與VSP的大小成線性：

P=(VSP-Vsawl)／(VsawH-VsawL) (5)

因此只需改變VSP的大小就可以對電機(jī)進(jìn)行線性無極調(diào)速。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)一周FG脈沖個(gè)數(shù)的確定

泵站采用的無刷直流電機(jī)有4對磁極，電機(jī)轉(zhuǎn)一周FG脈沖個(gè)數(shù)為12個(gè)脈沖。

3)電荷泵外部電路參數(shù)確定

為了打開橋臂IGBT功率驅(qū)動開關(guān)，必須先提升門極電壓才能打開，ECN30206內(nèi)部有電荷泵電路，用戶只需設(shè)定外部電路各器件參數(shù)即可。電容的大小決定了充電時(shí)間，即決定了IGWT驅(qū)動開關(guān)管打開的時(shí)間，因此不能過大，否則打開時(shí)間過長造成事故，這里電容都選為1μF。

4)負(fù)壓及過流保護(hù)

當(dāng)ECN30206檢測到VCC引腳電壓小于12 V時(shí)所有的IGBT功率驅(qū)動開關(guān)管關(guān)閉，直到VCC大于12 V時(shí)才恢復(fù)正常工作。

電流保護(hù)是通過在下橋臂IGBT串接電阻到地GL分壓反饋到ECN30206內(nèi)部過流電壓比較器實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部過流電壓比較器參考電壓Vref為0．5 V，這里設(shè)定最大電流值Imax為1 A，則RS的值為：

Rs=Vref／Imax (6)

將Imax=1 A，Vref=0．5