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电机控制器范文1
关键词:步进电机;FPGA;控制
中图分类号:V233.7+3文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)25-7300-03
Based on VHDL the Development of Stepper Motor Controller
HAN Tuan-jun
(Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)
Abstract: In this paper, a divided driving circuit for stepping motor controlled by FPGA is put forward, based on the analysis of the principle of stepping motor divided driving. In the design,hardware description language(VHDL) is used to describe the functional module of the stepper motor controller. Through compiling and simulation under the MAX+plusII, we can complete the design of the stepper motor controller.
Key words: stepper motor controller;FPGA; control
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,它结构简单、工作可靠,能将数字的电脉冲输入直接转换为模拟的输出轴运动。步进电机作为执行元件,是机电一体化的关键产品之一,广泛应用于各种自动化控制系统中。
1 步进电机控制器的总体设计
采用FPGA器件对步进电机进行控制,利用FPGA中的嵌入式EAB,可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据。利用FPGA设计的数字比较器可以同步产生多路PWM电流波形,对多相步进电机进行灵活控制。通过改变控制波形的数据、增加计数器的位数,可以提高计数器的精度,从而可以对步进电机转角进行任意角度细分,实现步进电机转角的精确控制。此次设计采用的是四相步进电机,利用FPGA器件,通过VHDL编程仿真,对电机进行步距角细分,转速及其正反转控制。其细分控制框图如图1所示。
2 设计原理
2.1 步进电机的工作原理
该步进电机为一四相步进电机,采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电,就能使步进电机步进转动。图2是该四相反应式步进电机工作原理示意图。
开始时,开关SB接通电源,SA、SC、SD断开,B相磁极和转子0、3号齿对齐,同时,转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿,2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源,SB、SA、SD断开时,由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用,使转子转动,1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿,2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推,A、B、C、D四相绕组轮流供电,则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
2.2 步进电机控制器的设计原理
2.2.1 步进电机细分驱动原理
步进电机的驱动是靠给步进电机的各相励磁绕组轮流通以电流,实现步进电机内部磁场合成方向的变化来使步进电机转动的。设TA、TB、TC、TD为步进电机A、B、C、D四相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量,TAB、TBC、TCD、TDA为步进电机中AB、BC、CD、DA两相同时通电产生的合成磁场矢量。当给步进电机的A、B、C、D四相轮流通电时,步进电机的内部磁场从TA-TB-TC-TD,即磁场产生了旋转。一般情况下,当步进电机内部磁场变化一周(360°)时,电机的转子转过以个齿距,因此,步进电机的步距角θB可表示为:
θB=θM/Nr
式中Nr为步进电机的转子齿数;θM为步进电机运动时两相邻稳定磁场间的夹角。θM与电机的相数(M)和电机的运行拍数有关。当电机以单四拍方式运动时,θM=90°;当电机以四相八拍的方式运行时,θM=45°。和单四拍方式相比,θM和θB都减小了一半,实现了步距角的二细分,但是在通常的步进电机驱动线路中,由于通过各相绕组的电流是个开关量,即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态,相应的各相绕组产生的磁场也是个开关量,只能通过各相的通电组合来减小θM和θB。
但是,这样可达到的细分数很有限。以四相反应式步进电机为例,最多只能实现二细分,对于相数较多的步进电机可达到的细分数稍大一些,但是也很有限。因此要使可达到的细分数较大,就必须能控制步进电机各相励磁绕组中的电流,使其按阶梯上升或下降,即在零到最大值相电流之间能哟多个稳定的中间电流状态,相应的磁场矢量幅值也就存在多个中间状态,这样,相邻两相或多相的合成磁场的方向也将由多个中间状态。四相步进电机八细分时的各相电流以1/4的步距上升或下降的,在两相TA、TB中间插入七个稳定的中间状态,原来一步所转过的角度θM将由八步完成,实现步距角的八细分。
2.2.2 步距细分的系统构成
该系统是由PWM计数器、ROM地址计数器、PWM波形ROM存储器、比较器、功放电路等组成。其中,PWM计数器在脉宽时钟作用下递增计数,产生阶梯型上升的周期性的锯齿波,同时加载到个数字比较器的一端;PWM波形ROM输出的数据A[3..0]、B[3..0]、C[3..0]、D[3..0]分别加载到各数字比较器的另一端,当PWM计数器的值小于波形ROM输出数值时,比较其输出低电平;当PWM计数器的计数值大于波形ROM输出数值时,比较其输出高电平,由此可输出周期性的PWM波形。根据步进电机八细分电流波形的要求,将各个时刻细分电流波形所对应的数值存放于波形ROM中,波形ROM的地址由地址计数器产生。通过对地址计数器进行控制,可以改变步进电机的旋转方向、转动速度、工作/停滞状态。FPGA产生的PWM信号控制各功率驱动电路的导通和关断,其中PWM信号随ROM数据而变化,改变输出信号的占空比,达到限流及细分控制,最终使电机绕组呈现阶梯型变化,从而实现步距细分的目的。
输出细分电流信号采用FPGA中ROM查表法,他是通过在不同地址单元内写入不同的PWM数据,用地址选择来实现不同通电方式下的可变步距细分。
3 步进电机的仿真波形及分析
u_d为步进电机正/反转控制,clr为步进电机的工作/停止控制,clk2为步进电机转动速度控制,Y0,Y1,Y2,Y3分别对应步进电机的A,B,C,D四相电流,s端为选择细分控制。
1)当clr端为1时步进电机控制器停止工作,其工作时序仿真波形如图3所示。
通过仿真波形可以看出:当clr=1时,控制器的控制器的各个端口都停留在初始状态,这表示控制器处于停止状态。
2)当clr端口为0时步进电机开始工作。
A:当u_d=1时步进电机正转,设定clk周期为50ns,clk2周期为400ns。由s端控制步进电机是否进行细分操作的控制,s=1时表示进行细分操作,s=0时表示步进电机不进行细分操作。其仿真波形图分别如图4,图5。
B:当u_d=0时步进电机反转,s=1时表示步进电机进行细分操作,s=0时表示步进电机不进行细分操作。设定clk周期为50ns,clk2周期为400ns。其仿真波形图分别如图6,图7。
通过对图4、图5的分析不难理解图6、图7的工作过程。
图6由于u_d=0,s=1,步进电机进行反向细分运动,即由A-AD-D-DC的运动。
图7进行的是无细分反向运动,即A-D-C-B-A的运动过程。其输出数据X[3..0]由0011B-1001B-1100B-0110B进行变化。
C:当改变clk2时可以控制步进电机转动的速度,设定clk为50ns,u_d=1,clr=0,s=0,
① 令clk2为400ns其仿真波形如图8。
② 令clk2为200ns时其仿真波形如图9。
由以上两个图对比可知通过减小clk2的周期,步进电机控制器的运行速度明显加快了,同样可以改变clk2的周期使步进电机控制器的运行速度减慢。通过以上对步进电机的仿真的分析,该设计实现了对步进电机的各种基本控制。
参考文献:
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[2] 高钟毓. 机电控制工程[M]. 北京:清华大学出版社,2002.
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电机控制器范文2
关键词 异步电机；节能控制；研究
中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0065-01
异步电机因其结构简单、操作方便、价格低廉、坚固耐用和能适应恶劣环境而广泛应用于工业、农业、交通运输业、国防军事等领域，是现代化生产运营中最主要的能源消耗设备。如若不能对异步电机的工作状态进行有效的控制，任凭其长期处于低效率工作状态，必定会造成电能资源的巨大浪费。
1 异步电机节能控制器的原理
1.1 能耗分析
经济的高速发展，要求异步电机进行高强度、不间断的运行。这种强度高且连续性的运行势必会造成各种损耗。
1）铁损耗。铁损耗是指异步电动机的主磁场在铁芯中发生交变反应时，所引起的铁芯的涡流损耗和磁场的磁滞损耗。异步电动机在运行正常的情况下转差率很小，转子铁芯中磁通变化的频率为每秒1～3周。从这一现象可以得出结论：异步电动机铁损耗大部分为定子铁芯损耗。另外，定子铁芯损耗的大小取决于异步电动机所选用的铁芯材料的性能、频率及磁通密度。铁损耗一般占异步电动机总损耗的20%～25%。
磁滞损耗=铁损系数a×转子磁通变化频率×磁通密度2
涡流损耗=铁损系数b×转子磁通变化频率2×磁通密度2
铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗
2）机械损耗。机械损耗主要是指异步电动机的各个工作部分，在机器长时期、不间断运转的过程中相互摩擦所产生的损耗。通常包括通风系统损耗、轴承摩擦损耗、绕线式转子损耗和电刷摩擦损耗。电动机容量越大，通风系统损耗越大，在总损耗中比重也越大。一般情况下，机械损耗占总损耗的10%～50%。
3）铜损耗。铜损耗，亦称负载损耗，是绕制在异步电机节能控制器周遭的铜线，在通电的情况下温度升高导致的功率损失，主要表现为发热反应。此损耗约占总损耗的20%～70%。
4）杂散损耗。杂散损耗主要包括两个方面，其一是杂散铁的损耗，这个方面又由两个方面构成：①气隙谐波磁链在定子和转子铁芯表面的移动，在这种情况下，在移动的过程中，很可能会造成定子和转子表面受到摩擦而损坏，从而影响其使用性能；②在定子和转子移动的过程中，相互部件之间的卡槽也会产生强烈的摩擦，此时也很可能会造成磁阻变化，导致磁链内部的脉动受到损耗，此时就会出现严重的损耗问题。根据相关统计数据显示，杂散损耗占异步电机损耗的10%～15%之间，其损耗所占比例相较比较多，是一个值得重视和思考的问题。
1.2 降压节能原理
异步电动机在使用的过程中，要想实现降压节能，就必须要明确异步电动机的运行原理。首先，在运行中，分为两种情况，第一种是满载的现象，当异步电机处于这种状态时，如果突然增强或者减弱内部电压，就会造成其运行故障问题，并且会造成严重的后果。在满载或者超载的情况下，电动机中的电压如果继续升高，则此时电动机中的磁通和电动势会逐渐增加，处于一种超负载情况下运行，则会造成严重的损耗；反之，要降低铁损，可以适当的降低电动机运行时的电压，铁损与运行电压之间存在着直接的关联，两者之间呈现一个反比例关系。第二种是空载或轻载现象，当异步电动机处于这种状态时，情况截然不同。轻载或空载运行时，所需的电压远远低于额定电压。在异步电机实际的运行情况中，降压运行并不影响转子电流大幅度的增加或减少。对定子而言，降压运行时，温度升高变缓，运行效率和功率因素也得到改善，其铁损耗也大幅度降低。因此，只要处理好电动机的负载量与电压的关系，异步电动机在节能问题上的经济价值不可估量。
2 异步电机节能控制器的现状与发展趋势
2.1 异步电机节能控制器的现状
1）国际上对异步电机节能控制器的研究取得了一定的进展。其中从电机的设计制造入手开发的高效节能电动机，极大地提高了电动机工作的效率，节省了能耗。然而由于造价高昂，这一高效节能电动机并没得到广泛应用。
2）电机节能控制采用调压调速，即改变电动机的定子电压就可以改变其电磁转矩，使之适应负载转矩。负载的变小使得电流变小，加上定子电压的降低，可以实现电机能量损耗的减少。调压调速由过去主要是利用偶合器或饱和电抗器串变为如今的晶闸管交流调压调速系统，这一系统可以凭借流经它的电流过零而自行关断，无需另加换流电路。其主要优点是线路简单、调压装置体积小、价格低廉、容量大。
2.2 异步电机节能控制器的发展趋势
传统的起动方式起动时间长、电流冲击大、安全性差、成本高昂。当前，我国大力提倡节约能源，解决我国大量老式异步电动机损耗大的问题具有现实意义。
1）选择ATmega16L作为节能控制器的主芯片。由于Atmega16L具有宽电压、高速度、低功耗等优越性，非常适合对实时性要求较高的电机节电控制。同时由于Atmega16L的I/O引脚具有很强的驱动能力，所以省去了外部驱动电路，这样节省了成本，同时又提高了系统稳定性。
2）80C196KB单片机作为节能控制器的主控芯片。经实验证明，这一方案能实现电压和电流的精确检测，在实际应用过程中效果明显。如，进行电压和电流的状态显示，当电压不稳时可以进行断相保护，能有预测性地保护电机不被烧毁。但这一方案在实际应用过程中还有不足之处，需要进行进一步的改进。如，解决电机在低压节能运行时起动缓慢的问题，随时根据需要变换初始值解决电机运行左右摇晃的问题。
3）根据异步电机节能控制器的研究结果，今后进行异步电机节能控制器开发和完善时，可以从三个方面进行创新：对异步电机外接节能控制器进行试验，虽然这种外接的方法在一定程度上比较复杂，但是对于要求精确定位，稳定施工的项目来说，不失为一个可靠的选择；对异步电机进行智能控制，即人工进行远程操作，这种方法能在同一时间完成多个机器的起动，起动过程得到充分的优化；完善电压节能控制器的研究，低电压轻载起动能创造很大的经济效益，这方面值得进一步研究。
3 结束语
能源是工业的粮食，是农业的血脉，是服务业的助推器。在能源日益缺乏的今天，异步电动机节能控制器的研究显得尤为必要。本文结合国内外研究成果、分析节能控制器制造的原理、根据实际需要、考虑实际问题，解决电机在生产中运行效率低，能源浪费严重的隐患，提出了今后异步电机节能控制器的研究方向，希望能为异步电机节能控制器的研究与改善提供有益的借鉴。
参考文献
电机控制器范文3
关键词：开关磁阻电机驱动系统 电动车 AVR单片机 控制器
引 言
电动车是解决世界能源危机、空气污染等重大难题的理想交通工具，是21世纪高科技产品之一。电动车的研制成功，主要取决于车体、蓄电池和驱动系统三大部分，其中驱动系统的优劣对电动车的驾驶性能、续驶里程亦起着重要的作用。开关磁阻电机驱动系统具有许多交、直流电机驱动系统难以比拟的明显优点，是电动车驱动系统中的强有力竞争者。
开关磁阻电机驱动系统（SRD）由开关磁阻电机（SRM或SR电机）、功率变换器、控制器和检测器四个部分组成，是20世纪80年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统。它的结构极其简单坚固，调速范围宽，调速性能优越，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，是各国研究和开发的热点之一。随着近代电力电子技术和控制技术的发展，SRD产品已广泛或开始应用于电动车驱动等各个领域，呈现强大的市场潜力。
本文主要研究的是以AVR单片机ATmega48为主控芯片的，并根据SR电机的运行原理及两轮电动车的运行特性设计出的电动车控制器。电动车控制器要实现的主要功能如下：
1.电动：电动车调速转把可在0-20km/h范围内调速。
2.定速：当手柄在某一位置停留时间到达6s或6s以上时，电动车进入定速行驶状态。两种情况下可以退出定速状态：转把回归到初始位置再转动或出现刹车时。
3.欠压保护：当蓄电池电压低于42V时，强制制动电机；当蓄电池电压恢复到45V以上再重新开始正常工作。
4.过流保护：当系统功率电路中的电流超过额定电流28A时过流保护。
5.刹车：在硬件上有刹车断电，在软件上，高速刹车时给电机加上制动转矩，低速时依靠机械刹车即可。
1、SRD系统结构及运行原理
SRD系统结构如图1.1所示。
1.1.1 SR电机的基本结构和工作原理
SR电机是SRD系统中实现机电能量转换的部件，图1.2为典型SR电机的结构原理。定转子铁心均由普通硅钢片叠压而成，转子上既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中集中绕组，径向相对极的绕组串联，构成一组，也称一相。本文选用四相8/6级SR电机做为电动车的驱动电机。
SR电机的工作原理遵循“磁阻最小原理”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，试图使相近的转子极旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。转子的转向与相绕组的通电方向无关，仅取决于相绕组的通电顺序。若改变相电流的大小，则可改变电机转矩的大小，进而可改变电机转速。
1.1.2 功率变换器
功率变换器是SR电机运行时所需能量的供给者，起控制绕组开通与关断的作用。其主电路结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类有关。本文选用H桥型主电路。
1.1.3控制器和检测器
控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息及外部输入的指令，实现对SR电机运行状态的控制，是SRD的指挥中枢，一般由单片机及接口电路等组成。
位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕组的导通和关断时刻。本文选用光敏式位置检测器。
1.2 SRD系统的运行原理
1.2.1 主要控制方式
SRD 系统的控制方式是指电动机运行时控制哪些参数及如何控制，使电动机按规定的工况运行，并保持较高的性能指标。根据SR电机的可控量有加于绕组两端的电压uk、相电流ik、开通角θon和关断角θoff等参数，主要有以下三种控制方式：
（1）角度位置控制（APC）
加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角θon和关断角θoff，来改变绕组通电、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。
（2）电流斩波控制（CCC）
电机低速运行特别是在启动时需对电流峰值进行限制，以避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电机造成损坏，采用电流的斩波控制，获得恒转矩的机械特性，将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。
（3）电压斩波控制（CVC）
电压斩波控制是保持开通角θon、关断角θoff不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制（PWM）方式。脉冲周期T 固定，通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。
为了保证SR电动机的可靠运行，一般在低速（基速以下）时，采用CCC控制（又叫电流PWM控制）；在高速情况下，采用APC控制（也叫单脉冲控制）。
1.2.2 SR电机的机械特性
SR电机的机械特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、串励特性区（自然特性区），如图1.3所示。在恒转矩区，由于电机转速较低，电机反电动势小，因此需要对电流进行斩波限幅，称为采用电流斩波控制（CCC）方式，也可采用调节相绕组外加电压有效值的电压PWM控制方式；在恒功率区，通过调节主开关管的开通角和关断角取得恒功率特性，称为角度位置控制（APC）方式；在串励特性区，电源电压、开通角和关断角均固定。转速Ω1， Ω2为各特接的临界转速，其中Ω1是SR电动机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为SR电机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率；Ω2是能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率将下降，Ω2亦称为第二临界转速。
图1.3 SR电机的机械特性
1.2.3 SRD系统的位置信号检测
位置检测的目的是确定定、转子的相对位置，以控制对应的相绕组通断。
光电耦合开关可固定在定子上，亦可固定在机壳上。它是一种槽型（U型）结构，其发射器（发光二极管）和接收器（光敏三极管）分别位于U型槽的两侧，并形成一个光轴，当物体经过U型槽且阻断光轴时，光电耦合开关就产生开关信号。
遮光盘固定在转子轴上，与电机同步旋转，它有与转子凸极、凹槽数相等的齿、槽，且齿槽均匀分布。通过遮光盘，使位置检测器导通和关断，产生包含转子位置信息的脉冲信号。电路通电后，可输出两相周期为60。、间隔为15。的脉冲序列，两相位置信号经过逻辑变换，即可用于控制四相绕组的通断。
为了消除干扰，光电耦合开关输出的信号需要经过整形，可采用滞环比较器电路防止边沿抖动，用具有施密特整形功能的非门来整形。光电三极管的通断信号经比较器输出给施密特触发器整形，再经反相器反相输出位置信号S。
2、控制器的硬件电路设计
本文选用AVR单片机ATmega48为主控芯片， ATmega48单片机不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制部件，如图2.1所示。控制系统主要由以下几个部分组成：
（1）核心微处理器ATmega48：主要功能是输出PWM，根据位置信号输出换相信号，处理电动车的起停、调速运行和保护。
电源电路：将48V电源转换为ATmega48的工作电压5V和IR2103的工作电压15V。
（2）系统功率电路及MOSFET的驱动电路：驱动电路由IR2103实现。
（3）转子位置信号处理：检测转子位置，送至AVR单片机的中断引脚。
（4）转速给定部分：由电动车的手柄将转速的给定信号送到AVR单片机的ADC口。
（5）电流检测和保护部分：通过检测主电路上采样电阻的电压得到主电路上的电流，完成保护功能，并将电流和保护信号送至AVR单片机。
2.1 电源电路和电压采样电路
2.1.1 电源电路
电动车靠蓄电池供电，蓄电池的电压为48V，而在控制电路中用到的芯片的工作电压有15V和5V两种，因此需要将48V的电压进行电平转换。用的是三端集成稳压器，该稳压器具有输出电压稳定、内置保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。
2.1.2 电压采样电路
随着电动车运行，蓄电池的电压会不断下降，当下降到一定值的时候如果还继续使用电动车将会导致蓄电池放电过深，严重损害蓄电池的寿命，因此设计了一个电源电压采样电路，如图2.2所示。48V电源电压经过电阻分压到5V以下的，分压后的电压信号经RC滤波线路输入到单片机的ADC口。二极管1N4148的作用是将输入信号的最高电压钳制在VCC+0.5V左右，单片机再根据该电压信号适时的进行欠压保护。
2.2 系统功率电路及MOSFET驱动电路的设计
2.2.1 系统功率电路
如图2.3所示为系统功率变换器电路。电解电容对整流电路的输出起到滤波和吸收电流回馈作用。R1为合闸时的充电电阻，以防止合闸时浪涌电流对滤波电容有过大的电流冲击。当电机起动后，开关闭合，将R1从电路中切除。R是采样电阻，用于电流环控制和硬件过流保护。
2.2.2 MOSFET驱动电路
由于单片机输出的换相信号电流不足以驱动MOSFET，所以需要另加驱动，采用集成电路芯片IR2103驱动MOSFET。IR2103的真值表如表2.1所示。
2.3 转子位置信号处理电路
。由SR电机内部位置传感器传来的两路位置信号经过光耦TLP521隔离，然后经过施密特反相器整形传给AVR单片机，其中一相传给捕捉单元的CAP1引脚，单片机片内的计时器T/C1会记录下该捕获信号的时刻，与上一次捕获信号的时刻相比较就能得出这一小段时间内的平均速度，由于时间间隔很短，因此可视为该时刻的瞬时速度。
光耦TLP521的隔离作用能有效的去除干扰信号，而当无光耦隔离时，AVR单片机会把很多干扰信号误当成位置信号，以至于速度计算不正常，所以光耦隔离单元必不可少。
2.4 电流检测和保护电路
从采样电阻上采样电压经过放大后，一方面得到的Iback输入单片机AVR单片机的ADC口，实现电流环闭环控制和软件过流保护；另一方面经过一个比较器，实际电流信号和设定电流上限值比较，若实际电流超过设定电流上限，则比较器输出低电平信号OC，OC与PWM信号和换相信号相与，如果OC出现低电平，则MOSFET都不会被导通，当电流下降到电流上限以下后，OC恢复高电平，MOSFET又会受PWM信号控制而导通，从而实现限流的作用，达到硬件过流保护的目的。
3、控制器的软件设计
软件程序主要包括以下几个子程序：主程序、初始化子程序、换相子程序、刹车中断服务子程序、事件捕捉中断服务子程序和ADC转换结束中断服务子程序。按需要实现的功能分，软件部分可分为以下几个模块：位置检测模块、换相控制模块、AD采样模块、双闭环控制模块、刹车控制模块、过流保护模块、欠压保护模块和定速巡航模块。这些功能模块都是通过中断服务程序来实现的。
3.1 初始化程序
初始化主要是对硬件系统进行初始化，硬件系统的初始化包括引脚的初始化、定时器/计数器T/C1的初始化、定时器/计数器T/C2的初始化、ADC的初始化和看门狗初始化。
3.2 主程序
主程序流程图如图3.1所示。程序开始运行时，先对单片机里的硬件进行初始化，当手柄拧动的时候，单片机通过ADC采样信号获得给定速度，从而进行电动车控制操作，同时根据位置信号的电平给出各相的导通信号。
3.3 各功能模块设计
3.3.1 位置检测模块
此功能模块是通过AVR单片机的ICP输入捕捉单元来实现的，如图3.2所示。
3.3.2 换相控制模块
ATmega48管脚有电平变化中断的功能，即引脚上的任何电平变化都会引起中断。本系统有两个位置信号，将它们接在有此功能的I/O管脚上，并将其设置为引脚电平变化中断的功能模式，这样只要电机转动有一相位置信号发生了变化，系统就会触发中断，然后该服务中断程序根据这两个位置信号电平的值来给各相对应的MOSFET导通信号。这两个位置信号与各相导通信号的关系如图2.7所示。
3.3.3 双闭环控制模块
SRD调速系统最主要的特点是以转速值为给定量，并使电动机转速跟随给定量。为了使系统具有良好的调速性能，采用转速、电流双闭环调速系统[20]
给定转速和SR电机转速的反馈值相叠加（相减）后，转速误差信号输入到速度调节器，转速调节器的作用是对转速误差信号进行PI（比例和积分）运算，PI调节的特点是：比例调节的输出与偏差成正比，偏差越大调节的速度越快；而积分环节只要偏差存在就对其进行积分，可以用来消除静差。因此PI调节器能够将比例调节的快速性和积分调节消除静差的作用有机地结合起来，用以改善系统特性。
3.3.4 AD采样模块
系统中有三个量需要AD采样：电流、电源电压、手柄电压。每次AD转换结束触发中断，通过写ADMUX寄存器的MUX位来选择模拟输入通道。
3.3.5 刹车控制模块
系统采取的措施就是在高速时加入反向控制导通信号，使电机产生反向转矩，从而使电机的速度快速地降下来，而在低速时依靠机械刹车就可以了。
3.3.6 过流保护模块
为了避免大电流工作，损坏电机和控制器，电动车都设计有过流保护，
过流保护模块插入在ADC中断模块中，每次采样完电流后判断是否过流，如过流则运行过流保护程序，否则继续下一次采样。
3.3.7 欠压保护模块
电动车一般都有欠压保护，当蓄电池电压降至额定值的90%左右，电池停止供电，从而防止蓄电池放电过深，受到损害。欠压保护模块和过流保护模块一样是插入在ADC中断子程序中的，在每次采样完电源电压后判断、运行的。
3.3.8 定速巡航模块
电动车在行驶过程中，在比较平稳的地段如果想保持一个速度前进就必须一直拧动手柄在同一个位置。如果加上定速巡航模块就不需要那么费力的由人工操作来实现了，只需要行使者保持手柄在想要的速度上达6s，就可以实现定速行驶。
4、结束语
通过对开关磁阻电机驱动系统的研究，开发了基于开关磁阻电机的电动车控制系统，经过对实际的电动车调试，验证了该系统实时性和可靠性。
通过硬件设计、软件编程及最后的运行情况可见，基于AVR单片机的开关磁阻电机调速系统稳定、可靠，充分发挥了AVR单片机的片内外设功能，优化了硬件电路，使电动车运行平稳，能较快实现起动、加速、减速和制动过程。
实践证明，经济可靠的开关磁阻电机传动系统特别适用于小功率的两轮电动车，有很好的应用前景。■
参考文献
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[5] 吴建华. 开关磁阻电机设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2000
电机控制器范文4
[关键词]单片机 伺服电机 转速控制 定位精度
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0013-01
引言
伺服电机总体可分为直流伺服电机和交流伺服电机两种。由于交流伺服电机具有体积小、重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优点，故被广泛地应用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件；将控制电信号转换为转轴的机械转动。由于伺服电机定位精度相当高，现代位置控制系统已越来越多地采用以交流伺服电机为主要部件的位置控制系统，本文的设计也正是用于电动机的转速控制系统之中。
1 交流伺服电机控制系统设计方案
本系统所用的是交流伺服电机为三相交流电机，驱动器控制的UN/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机由接近传感器将转速的信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
2 系统硬件设计
采用STC89C52单片机构建一个最小系统，实现脉宽可调输出控制两个继电器，实现电机正反转智能控制，从而达到伺服电机精确位移控制。
通过按键输入电机所需的转速值和转速传感器反馈回来的电机转速相比较，采用PID算法，经单片机处理后，转化成相应的脉冲信号经光电耦合器，调节继电器的开度，通过调节继电器的脉冲宽度，达到脉宽的调制，从而控制伺服电机上的磁块正负位移，使电机达到给定的转速值，同时，单片机接受固定在伺服电机转轴上的转速传感器随着电机转动而产生的反馈脉冲信号，并在LED实时显示电机实际转速。
2.1 单片机控制器的硬件设计
该系统的硬件结构是基于单片机而开发，所用功能为外部中断、定时中断、检测传感器脉冲信号、及输入输出等。STC89C52的P0.0、P0.1、P0.2端口分别作为按键SET、按键MO'dE、按键UP的输人口，通过STC89C52的定时器T0的定时中断控制脉冲发送频率，进而控制电机的转速121。
2.2 驱动部分电路的硬件设计
由于单片机属于TFL电路（逻辑1“和0”的电平分2.4V和0.4V和0.4V），它的I/0口输出的开关量控制信号电平无法直接驱动电机，所以在P2.6口控制升迷信号输出端需加入驱动电路；同理应用于P2.7口的降速输出端。系统采用光耦耦合器和三极管作驱动，由光电耦合器输出通道传人控制电机，所以具有很强的抑制噪声干扰能力隔离作用，可防止强电磁干扰。
3 系统软件设计
控制器的软件主要完成LED显示、接受键盘输入、伺服电机匀速运行和继电器控制几项功能，包括主程序、按键中断服务程序、定时器T0中断服务程序及LED显示子程序。在交流伺服电机控制系统中单片机的主要作用是产生脉冲序列，它是通过STC89C52的P3.2口发送的。系统软件编制采用定时器定时中断产生周期性脉冲序列，不使用软件延时；不占用CPU。
CPU在非中断时间内可以处理其它事件，唯有到了中断时间，驱动伺服电机转动一步。系统程序流程图如图1所示。
3.1 按键预置子程序
面板上有三个键和本子程序相关SET、MOVE和UP，它们的功能分grJ是SET用来确定设定位，共有四位，个位、十位、百位和千位。MOVE用来选择哪一位。UP控制被控位的增加，每次增加，在0―9之间循环。当用户确定其输入时可按键SET，程序便根据输入的值确定伺服电机工作时的给定转速，最后，将设定值存人对应的变量中。
3.2 定时中断服务子程序
电机每转动一圈单片机就中断一次，通过检测两次中断的时间间隔既通过定时器的计数，我们就可以算出电机转速。为了实现转速检测需将转速中断配置为最高中断优先级INTO。中断计数的程序框图如下图2所示。
3.3 转速的PID控制算法
一般情况下，PI调节较容易实现，如果系统性能要求不高，就只需采用PI控制。对连续系统的PI控制算法采用矩形逼近离散方法，可以得到数字PI控制规律如下：
式中：e（k）与e（k―1）为第k，k-1拍的偏差输入；c（K）与c（k-1）为比例积分算法输出的第k，k-1拍的数值；T为运算步长；kn为PI运算的比例系数；tn为积分时间常数。在实现了电机转速的实时检测之后，我们就可以采用闭环控制来调节电机的转速。转速的控制框图如图3所示。它根据公式
N=Nr-N
其中Nr为由按键设定的转速，N为实际的转速输出值。PI控制器由STC89C52单片机通过编程来实现实际转速与设定转速之间的控制偏差N
4 结语
本系统研究了以单片机为控制器的对交流伺服电机的转速控制实现过程，在生产调速电机的配套装置实际应用中，降低了系统设计的成本并且极大地提高了系统的总体性能指标。
参考文献
电机控制器范文5
1 引言
近年，交流伺服系统已经在机械制造、工业机器人、航空航天等领域得到广泛应用，其控制对象大多是永磁感应同步电动机（PMSM）。PMSM的转子采用永磁钢，属于元刷电机的一种，具有结构简单、体积小、易于控制、性能优良等优点。本文讨论的空间矢量控制的永磁同步电机控制器就是采用磁场定向算法并借助DSP的高速度来实现对转速的实时控制，因而在各种状态下都有良好的控制性能，特别适用于对控制器体积及性能要求较高的应用场合。
2 磁场定向控制原理
磁场定向控制主要是对交流电机的控制，它通过适时的控制转子的机械速度并调节相电流来满足电磁转距的要求。磁场定向控制矢量如图1所示。在图中的两直角坐标系中：αβ坐标系为定子静止坐标系，α轴与定子绕组α轴相重合；dq为转子旋转坐标系，d轴与转子磁链方向重合并以同步速度ωp逆时针旋转。两坐标系之间的夹角为θe。现把定子电流综合矢量is在旋转坐标系dq轴上分解如下：
is=isd+isq
在交流永磁同步电机中，转子为永磁钢，可认为转子电流综合矢量的模大小不变，常用常数值If代表。交流电机电磁转矩T与定子、转子电流综合矢量的普遍关系如下：
T=3PL12 | i1 |·| i2 | sinψ/2
式中：P—极对数；
L12—定子、转子互感；
i1—定子电流综合矢量；
i2—转子电流综合矢量；
ψ—定子、转子综合矢量夹角；
图2
这样，电磁转矩就只随 | i1| 和角ψ变化。为了获得简单可控的转矩特性，可以使定子电流综合矢量始终在q轴上，即ψ=90o，从而得到：
T=3PL12IFIS/2
式中，Is为定子电流综合矢量的模。利用上式可以实现用定子电流综合矢量的模来直接控制电动机电磁转矩，从而使永磁同步电动机获得类似直流电动机的伺服性能，并可得到快速无静差的调节特性。控制器的控制结构框图2所示。
该速度控制系统由速度、电流双闭环实现，采用的算法由相应的模块实现。ia和ib由电流传感器检测获得，应用clark变换可得到定子电流在静止坐标中的投影值。进行park变换可以得到在旋转坐标系下的定子电流投影值。然后将电流和给定的参考值（Isqref和Isdref）进行比较，并经过PI调节器进行调节。电流调节的输出再经过反park变换，同时应用空间矢量技术并经过三相逆变器即可产生新的定子电压。为了能够控制电机的机械速度可通过外环提供参考电流值Isqref，从而得出机械速度参考值nrefo整个控制器以DSP芯片为核心再配以简单的外围电路，其控制算法及功能全部由软件实现。
3 永磁同步电机控制器的硬件结构
永磁同步电机磁场定向控制器以DSP数字信号处理器为核心。其硬件结构如图3所示。从图3可以看出，该系统主要由控制器核心TMS320LF2407A、外围接口电路、功率回路等几部分组成。
3.1 TMS320LF2407A的基本结构
TMS320LF2407A采用3.3V供电，因而功耗较小。同时因其指令执行周期可缩短到25ns，从而提高了控制器的实时处理能力。器件内含32kB的FLASH程序存储器，片内外设采用统一的外设总线和数据单元进行连接，其中包含两个事件管理模块，每个均由两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制（PWM）通道、3个捕获单元以及一套编码器接口电路组成；10位A/D转换器可采用序列灵活编程，同时可在一个转换周期内对一个通道进行多次转换。综上所述，TMS320LF2407A作为整个控制器的核心，集成了主要的电机外设控制部件，具有高速的运算能力及较高的采样精度，适合构成单片电机伺服控制器以完成实时要求很高的伺服控制任务。本系统就是利用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及PWM信号发生等功能。
3.2 高速数据采集电路
该系统中的电动机转子位置和转速检测使用的是增量式光电编码器。其输出信号送入TMS320LF2407A的I/O和QEP单元后，即可通过位置的微分运算得到转速信号。而用霍尔电流传感器采样A、B两相电流即可获得实时的电流信息。
3.3 主电源电路
控制系统的主回路逆变器采用智能功率模块PM30CSJO60，该模块采用30A/600VIGBT功率管，它内含驱动电路，并设计有过压、过流、过热、欠压等故障检测保护电路。同时系统还设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲击。在系统故障保护环节中还设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线等保护功能，故障信号由软硬件配合检测，一旦出现保护信号，便可通过软件或硬件逻辑立刻封锁PWM驱动信号。
4 系统软件设计
永磁同步电机磁场定向控制器软件包括DSP主程序和DSP伺服控制程序，其中DSP伺服控制程序由4个部分组成：PWM定时中断程序、光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通讯中断程序。主程序流程图如图4所示。主程序只完成系统硬件和软件的初始化任务，然后处于等待状态。完整的磁场定向控制（FOC）控制算法用PWM定时中断服务程序中实现。在一个中断周期内，从两路AD采样电流可计算转子位置角和转速，当完成所有反馈通道计算后，再调用正向通道中的计算模块函数，最后输出三相逆变器的空间矢量PWM波信号。其中断周期设定为60μs，0.5ms完成一次速度环和位置环的控制，控制器的PWM开关周期设置为16kHz。PWM定时中断程序的流程图如图5所示。通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数，同时设置运行模式；光电编码器零脉冲捕获中断程序可实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获，从而得到交流永磁同步电机矢量变换定向角度的修正值；功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出，当出现故障时，DSP的PWM通道将被封锁，从而使输出变成高阻态。
电机控制器范文6
关键词：目标仿真；实时控制；伺服电机；DMC5400；多轴运动控制器
引言
众所周知，激光制导武器是以敏感到的特定激光信号为制导信息。在激光制导武器的半实物仿真系统中，目标仿真和制导仿真具有同等重要的地位。这是因为激光目标模拟的准确性影响到系统的整体仿真精度和可靠性，甚至可以说目标仿真系统的研制水平决定仿真大系统水平。因此。目标仿真是提高半实物仿真系统整体精度的关键，“如何逼真地模拟激光目标”就成为仿真中重要的问题。
目标仿真系统研究的是能够实时精确的模拟战场环境中导引头入瞳处接收到的各种目标反射编码激光的光学特性。具体来说就是在计算机和电机控制器的控制下实时控制激光能量和光斑大小的变化，并以此来模拟激光航弹导引头入瞳处的激光目标特性、能量变化特性和光斑大小变化特性。这种精确的模拟要求对目标的位置信息和速度信息等进行实时采集处理。之前基于步进电机伺服驱动系统的程控一体化激光器不能很好的满足系统的实时性要求，因此，笔者设计了基于伺服电机及运动控制卡的运动控制系统。该系统在控制激光光斑大小和能量的实时变化方面较前一系统有了较大改进。
运动控制的实时性设计
对激光光斑的大小和能量的实时性控制，具体体现就是对程控一体化激光器中的可变衰减系统和可控扩束系统进行实时性设计，这是目标仿真系统设计的一个关键。在设计时，我们以某型激光制导武器为背景进行了数字仿真，得到一组典型的数字仿真能量衰减(对应的为电机控制步数数据)曲线如图1～2所示。
由上述数据和图形可见，在初始投弹和飞行的大部分时间里，能量和光斑变化较缓慢，而在接近目标时发生了剧烈的变化。这说明当炸弹接近目标时激光能量和导引头所见光斑大小随时间的变化并不是一个线性关系。鉴于此，本系统在设计时既充分考虑光斑大小和能量的实时跟踪范围，又考虑了工程上实现的可能性，选用了TSA50标准型高速电控平移台。旋转台则选用中空力矩电机带动旋转棱镜来直接实现。特别的，本系统将步进电机驱动的平移台和旋转台均改为由伺服电机进行驱动，主要考虑的是伺服电机启动时间短，速度高，在极短的时间内能够带动激光器内安装的平移棱镜和旋转棱镜做高速运动，来模拟导引头近距离敏感到的光斑的大小和能量，从而能够满足对光斑实时变化的要求。由高速平移台和旋转电机分别驱动扩束系统的目镜和格兰一付克棱镜的检偏镜，使得能量和光斑变化在弹目距离>300m时能完全满足宴时性控制要求。而在剩余时间内，由电机做全速运动来近似逼近末段的陡峭变化。
基于以上的目标和对于运动控制功能的设计，采用专用运动控制芯片是一种较好的选择。专用控制芯片通过PCI总线与PC机的CPU通讯，接收PC机的控制指令，由内部的逻辑电路进行运算和脉冲发送，同时检测一些开关量信号(如限位信号)的状态并向PC机报告，以实现运动控制的功能。在这种方案中，所有的运动控制细节都由运动控制卡上的专用芯片完成，无需占用PC机的资源，PC机可以专注于用户界面的处理和对运动控制卡状态的监控。运动控制专用芯片自身具有强大的运动控制功能，不需要扩展复杂的电路。PC机只需要对运动控制芯片发送命令和参数，控制简单。经过反复的调研和论证，初步确定总体运动控制方案为“PCI接口芯片+专用运动控制芯片+激光控制模块”。
运动控制系统结构
整个控制系统硬件由Pc机、DMC5400多轴控制器、增量式编码器以及松下公司的全数字式交流伺服系统(包括电机和驱动器)、中空力矩电机等组成(见图3)。
该控制系统以Pc机平台为基础，DMC5400多轴运动控制器为运动控制核心。PC机的CPU与DMC5400的CPU构成上下位机的结构，两个CPu各自完成相应的任务。
PC机作为DMC5400的上位机，提供windows平台及人机操作界面，完成系统初始化、轨迹参数的设定、运动信息的实时显示等，仅需用极少部分时间向控制卡发送运动指令。下位DMC5400多轴运动控制器主要完成平移电机和旋转电机的运动控制、包括伺服驱动、程序解释以及高速数据采集等实时性任务。DMC5400直接插在PC机的PCI插槽中，并由动态链接库驱动。
运动控制系统软件设计
该控制系统实质上是一种以DMC5400为核心组成的开放式数控系统。上位PC机和下位DMC5400多轴控制器各有自己的CPU、存储器和外设，分别构成一套独立的计算机系统a因此，在选择控制软件的开发平台时充分考虑了这种结构的特点。由于DMC5400多轴控制器采用了实时操作系统，数控程序代码解释工作和连续运动时复杂的插补运算都由其内部的DSP来完成，可以保证对运算过程和各种紧急情况的及时处理。相对而言，上位PC机只是提供与用户交互部分和一些状态变量的读取工作，CPU的工作量不是很大。
上位机软件
上位机软件的组成如图4所示。
・初始化模块：实现零位标定等功能。
・轨迹和参数设定模块：根据不同的运动功能和轨迹，提供了相应的参数设定界面，其中包括参数合理性判别、缺省值提供等辅助功能。
・运动信息实时显示模块：通过与DMCS400实时通讯，动态采集负载位置和速度等运动信息。然后，借助CB开发的带有二维坐标系的显示界面，实现实时动态显示负载运动轨迹，同时动态显示左右两个软硬限位状态。另外，在界面的右下角还实时动态显示负载的位置和速度数据。
・故障诊断模块：内嵌于各功能模块中，如设定值合理性判别、键盘操作功能保护、界面功能按钮的连锁、电机限逮屎护、位置超速保护等。
・通讯模块：利用DMC5400提供的动态链接库编制，实现上位PC机和下位DMC5400之间的通讯。它内嵌于各功能模块中，囊括了同DMC5400通讯的所有方式，而且将其主要的函数进行分类、封装。所编制的通讯程序实现了运动轨迹程序及设定参数的下载、上位PC机对DMC5400的指令传输及DMC5400对Pc机的状态反馈等通讯功能。
下位机软件
控制下位机是运动控制系统的直接控制级，构成可控扩束和可控衰减两个独立的伺服控制回路。其功能包括：实现目标运动的实时控制：采用相应的控制算法，对系统的运行位置、速度进行控制：将检测到的系统状态信号通过PCI总线传给上位机。DMC5400的运动控制功能十分丰富，可以满足绝大多数多轴运动控制系统的要求。
DMC5400运动控制卡提供基于Windows 95／98／Me／NT／2000／XP下32位DLL驱动编程。其具体的编程语言可为VB、VC、c++Builder中的任何一种。在运动函数库中所使用到的函数主要有如下几种：控制卡及轴设置函数，独立运动和插补运动函数，制动函数，位置和状态的设置及查询函数，I／o口操作函数，错误代码函数。其函数返回值为0(函数执行正确)或，1(函数执行错误)。其控制系统的流程图如图5所示。
仿真结果分析
