Atmega16在开关磁阻电机调速系统中的应用

    摘要：针对开关磁阻电机调速系统的设计要求，提出了以Atmega16作为CPU，并利用该单片机硬件和软件上的优点来提高系统处理速度,简化外围电路和提高性价比的设计方法。

    关键词：电机调速；开关磁阻电机；标准单脉冲数；Atmega16

1 引言

目前，随着汽车工业的发展，能源短缺问题日趋严峻。为此，国家科技部启动了“863电动汽车重大专项”，而开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，简称SRM）以其启动转矩大、调速范围宽等优点被作为未来电动汽车的理想驱动电机之一。开关磁阻电机是一种必须在控制器协调控制下才能运转起来的电机，因而控制器性能的好坏直接影响电机的运转性能。以往控制系统所采用的CPU主要有三种类型：一是采用51系列8位单片机，这种处理器处理速度相对缓慢，功能简单，外围电路比较复杂。二是采用196系列16位单片机，这种处理器处理速度比较快，但由于内部外设模块不够丰富，因而外围电路仍相对复杂。三是采用240系列DSP，这种处理器处理速度快，内部外设模块丰富，但芯片价格昂贵，所以不能得到较广泛的应用。本文选用Atmel公司出品的Atmega16作为CPU来控制开关磁阻电机，大大提高了性价比。

2 AVR系列单片机

AVR单片机是目前最新的单片机系列之一，具有速度高、片内硬件资源丰富等优点，可作为真正意义上的单片机使用。它的最大特点是低功耗和高速度，其掉电方式、闲置方式至工作方式下的耗电约为1μA～2.5μA。该系列单片机采用现代微处理器流水管线预取指令技术，淘汰了机器周期的概念。它以时钟周期为指令执行的基本时间单位，每个时钟周期可执行一条指令。时钟频率通常采用4MHz～8MHz，故最短的指令执行时间为250ns～25ns。在12MHz频率下，指令的吞吐量为12MIPS，这是一般MCS-51单片机速度的12倍。AVR系列片内含有模拟比较器，与输入捕捉功能配合可进行多种模拟控制和转换。它借鉴了某些机型的高速输入输出HSIO和可编程计数阵列PCA的概念，实现了本身的输入捕捉、输出比较和脉冲宽度调制输出功能，从而成为脉冲信号测量、开关量按时控制及某些直流马达调速的得力工具。在软件开发方面，AVR单片机内含容量不等的闪速程序存储器（Flash Memory,简称Flash），可反复擦写至少1000次，极大地方便了产品开发和软件修改。Flash存储器中的程序可由PC机串行下载，亦可在通用写入器上以并行方式写入。

3 开关磁阻电机工作原理

所谓磁阻电机是指电机各磁路的磁阻随转子位置而改变，因而电机的磁场能量也将随转子位置的变化而变化，并将磁能变换成机械能。这种结构与步进电动机相似，开关磁阻电动机的运行亦遵循“磁阻最小原理”，即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的主轴线重合。图1为四相开关磁阻电机结构图，当定子D-D‘极励磁时，所产生的磁力会力图使转子旋转到转子极轴线1-1’与定子极轴线D-D’重合的位置，并使D相励磁绕组的电感最大。若以图1中定、转子所对的位置作为起始位置，然后依次给D-A-B-C相绕组通电，转子会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给B-A-D-C相通电，则转子会沿顺时针方式转动。可见，开关磁阻电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。

4 系统设计要求及结构实现

对于额定功率为0.75kW、转速为50～2000r.p.m的8/6极SRM，在低速时可采用PWM方式来控制，而在高速时则应采用单脉冲控制。电机转子每转过15°，位置传感器PIA和PIB会发生变化并产生一次相中断，之后MSP430依据外部操作要求（如正传或反转）及当前状态来决定下一次输出状态并送给数字比较器，当与下一次中断信号一致时，它会向CPU发送一次中断，并输出相信号给逻辑电路，最后驱动电动机。同时依据此中断信号计算转速，以作为高速单脉冲工作状态的参考点（对于高速单脉冲，由于在高速时没有足够时间精确计算开关角的大小，因而本设计采取每相固定导通30°的控制方式，其实现方法待后详述）。

当转速给定后，即可采用调节电位器输出模拟量送给Atmega16的A/D模块。系统中的LED用于显示转换速等信息，键盘用于设定各参量（如方向等）。其控制结构框图如图2所示。

4.1 PWM控制

AVR的T/C1除具有定时、计数、输入捕捉和输出比较功能外，还可构成两个脉冲宽度调制PWM输出通道。由于经缓冲的PWM输出可驱动电机，且其转速正比于OCR1A或OCR1B寄存器的内容。因此，可以利用OCR1A输出PWM波，再将该信号与各路相输出信号相与后输出，从而实现控制各路相信号以及低速调速之目的。

图2

    4.2 高速单脉冲控制

采用高速单脉冲控制方式时，可使关断角保持不变，从而使开通角在较宽的范围内进行调节，最终实现高速高速。由于AVR系列单片机具有输入捕捉功能，因此可将PIA或PIB信号送给ICP脚，然后让ICP1寄存器首先捕捉脉冲上升沿发生的时间，接着再捕捉下一次上升沿发生的时间，然后用这段时间除以相间隔的角度15°就可得到标准单脉冲数。当然，由于中断处理需要一定的时间，所以要通过软件修正。这样就可以高精度控制高速运转时的开通角和关断角，从而实现高速单脉冲的软件控制。

5 软件示例

5.1 相输出子程序示例

；正转相输出

.def xiin=r16 ;相输入信号寄存器

；====================

xinoutz:in xiin,pind ;将相输入信号送给寄存器

andi xiin,$03 ;相与只剩下相信号

cpi xiin,$01 ;是否da输出

brbc 1,daout ;相等，da输出

cpi xiin,$03 ;是否ab输出

brbc 1,about ;相等，ab输出

cpi xiin,$02 ;是否bc输出

brbc 1,bcout ;相等,bc输出

cpi xiin,$00 ;是否cd输出

brbc 1,cdout ;相等,cd输出

；====================

；反转相输出

；====================

xinoutf:in xiin,pind ;将相输入信号送给寄存器

andi xiin,$00 ;相与只剩下相信号

cpi xiin,$01 ;是否da输出

brbc 1,daout ;相等，da输出

cpi xiin,$02 ;是否ab输出

brbc 1,about ;相等，ab输出

cpi xiin,$03 ;是否bc输出

brbc 1,bcout ;相等,bc输出

cpi xiin,$01 ;是否cd输出

brbc 1,cdout ;相等，cd输出

；====================

daout:sbic pinb,4 ;开通a相低电平有效

sbic pinb,7 ;开通d相？

sbis pinb,5

sbis pinb,6

ret

about:sbic pinb,4 ;开通a相

sbic pinb,6 ;开通b相

sbis pinb,5

sbis pinb,7

ret

bcout:sbic pinb,5 ;开通c相

sbic pinb,6 ；开通b相？

sbis pinb,7

sbis pinb,4

ret

cdout:sbic pinb,5 ;开通c相

sbis pinb,7 ;开通d相？

sbis pinb,4

sbis pinb,6

ret

5.2 速度采集显示子程序示例

.include "m16def.inc"

.org $001c

rjmp adcint

.def channel=r29 ;模拟通道号

.def lresult=r2 ;转换低字节

.def hresult=r3 ;转换高字节

.def temp=r16

.equ sample=$0060 ;采样数据1缓冲区首地址

.equ sample2=$0063 ;采样数据2缓冲区首地址

.def round=r17 ;显示回合计数器

.def outer=r19 ;存放外环计数器

.def inner=r18 ;存放内环计数器

.equ slabel=$0400 ;字符码首地址

.def hxian=r2 ;存放预显示高字节

.def lxian=r1 ;存放预显示低字节

；采集显示速度占用系统资源r1r2s3r4r16,$60～$69

adcin:ldi channel,$04 ;从4通道开始

out admux,channel

ldi r16,$ee ;自由运行方式

out adcsr,r16 ;启动转换

clr xh ;建立sram指针

ldi x1,$60

inc channel ;通道号增1

out admux,channel ;选通道4

sbi adcsr,3 ;开启ad中断

ldi r28,$03 ;转换次数

adhere:rjmp adhere ;等待中断

adcint:in lresult,adcl ;读转换结果

in hresult,adch

st x+,lresult

dec r28

brne adnextc

rjmp adret

adnextc:ldi r28,$03 ;转换次数

inc channel ;通道号加1

out admux,channel ;选下一个通道

cpi x1,$70 ;转换的是通道7吗

brme adret ;否，返回

cbi ADCSR,7 ;是，停止转换

adret:reti

6 结束语

实际使用证明：Atmel公司出品的Atmega16系列单片机具有处理速度快，内部外设功能模块丰富等优点，是一种性价比较高的单片机，特别适用于电池供电、便携式以及电机驱动等系统。本文的开关磁阻电机充分利用了该单片机丰富的内部外设模块，因而简化了外围电路，大大提高了性价比。