CN102694490A

CN102694490A - 一种基于单片机的磁阻电机系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102694490A
Application number: CN2012101897829A
Authority: CN
Inventors: 谭国益; 林军木; 廖万林; 周晓军
Original assignee: CHENGDU WEIWA ENERGY-SAVING TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHENGDU WEIWA ENERGY-SAVING TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-09-26

Abstract

一种基于单片机的磁阻电机系统及其控制方法，包括除了现有的单片机磁阻电机系统的电路外，还设置有键盘电路、角度细分电路、优先权编码电路、通信电路。键盘电路通过专用IC键盘电路与单片机连接，角度细分电路与单片机外部中断脚连接，优先权编码电路Q0-Q2引脚与单片机I/O口连接，Eout脚连接单片机低电平中断口，GS脚连接单片机高电平中断口，通信电路的RxD，TxD连接单片机的RxD，TxD引脚。在专门软件的支持下通过外部键盘或通信可设定磁阻电机的运行时间，转速，方向以及加速时间，减速时间。克服了当前市面上的磁阻电机灵活控制不便的缺陷。本发明具有控制方便、灵活、适应范围宽等特点。

Description

一种基于单片机的磁阻电机系统及其控制方法

技术领域

本发明是基于单片机控制的磁阻电机系统。特别是通过键盘或通信电路，可完成磁阻电机的常用控制要点。

背景技术

SR电机的运行离不开控制器，它是实现SR电机自同步运行和发挥优良性能的关键。它综合位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度和电流等反馈信息，以及外部输入的命令，然后通过分析处理，决定控制策略，向SRD系统的功率变换器发出一系列开关信号，进而控制SR电动机的运行。伴随着微电子器件的飞速发展，SR电机的控制系统也从早期的分立模拟器件组成的简单控制系统逐渐发展成为以高性能微控制器为核心的数字化控制系统，相应地专为电机控制设计的高性能数字信号处理器（DSP）给各种高级复杂控制策略的实现提供了可能。数字控制器由具有较强的信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口电路等部分组成。数字控制器的信息处理功能大部分是由软件完成。因此，软件也是控制器的一个重要组成部分。软、硬件的配合是否恰当，对控制器的性能将产生重大影响。发明人根据节能电机在市面上的现状，例如目前出现的磁阻电机还不能很灵活的控制磁阻电机的各项参数。其中在各种应用场合参数设定的灵活改变，开通关断角度的精确控制，以及通信控制在磁阻电机中的应用。发明人采用单片机以控制的磁阻电机系统，要求外围电路比较简单，而加强了在单片机程序的复杂度，在传统磁阻电机中增加通信控制和开通关断角控制，以及外部键盘设定运行方式。可以精确而方便的控制磁阻电机各项参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种单片机控制磁阻电机系统，另一个目的是提供单片机控制磁阻电机系统的控制方法，以克服由于当前市面的磁阻电机还不能得到灵活有效控制的技术之不足。

本发明的目的是通过以下技术方案完成的：一种基于单片机的磁阻电机系统，包括单片机、过温过压缺相电流保护电路、电流传感器、位置传感器、三相整流滤波电路、驱动电路、电流过流保护电路、低速电流斩波电路、逻辑综合电路、速度给定电路、外部复位电路、报警电路；还设置有键盘电路、角度细分电路、优先权编码电路、通信电路；所述的键盘电路通过专用IC键盘电路与单片机连接，角度细分电路与单片机外部中断（即INT1）脚连接，优先权编码电路的Q0-Q2引脚与单片机三个I/O口连接，Eout脚连接单片机低电平中断口，GS脚连接单片机高电平中断口，其中低电平中断与高电平中断可任选一种方式与单片机匹配。通信电路的RxD ，TxD连接单片机的RxD ，TxD引脚。

所述基于单片机的磁阻电机系统，通过键盘或通信接口来设定电机启动、停止、运行时间、故障报警。

所述基于单片机的磁阻电机系统，当超温、过压、缺相、过流发生时，通过通信功能告知用户或计算机。

进一步地，所述基于单片机的磁阻电机系统，采用CPLD/FPGA或其它硬件倍频电路做角度细分以实现开通角、关断角的精确控制。

进一步地，所述基于单片机的磁阻电机系统，用给定信号以A/D采样，经过软件做PID运算控制，再将结果值来调控PWM占空比。

进一步地，所述基于单片机的磁阻电机系统，根据转子的实际速度做PID计算，由计算出的速度值给出相应的电流斩波基准比较电压。

更进一步地，所述基于单片机的磁阻电机的控制方法，其步骤如下：

7.1、通电复位后，单片机先对I/O口进行初始化以及所用到的模块初始化，通过键盘电路或是通信设置，确定启动时的运转方向；

7.2、根据位置传感器反馈的逻辑电平确定当前转子位置状态，同时检测外部温度信号，过压信号，缺相信号，电流保护电路信号是否正常；当任一种状态不正常时，由单片机发出并显示故障代码，同时根据设定决定是否发出报警，单片机默认输出报警信号；

7.3、判断是否启动电机，如果是键盘或者通信中断或者过温、过压、缺相、电流过流中断则回答否，电机停止启动；如果回答是，则进入下一步；

7.4、当用户启动电机时，单片机根据位置传感器与方向信号，确定启动时首先通电某相，再把给定速度的模拟信号做A/D转换，同时把A/D转换后的数字信号代入PID公式做运算，得出结果值送至PWM发生器做占空比调控；

7.5、根据当前转速计算并输出低速斩波基准D/A信号，供低速电流斩波控制；位置传感器反馈位置信号可计算出当前速度，根据加速或减速来调控PID时间达到调节PWM占空比宽度，同时当位置传感器产生中断，存入速度值，更换捕捉沿，做换相处理；

7.6、根据位置传感器反馈实际速度与给定速度比较结果，即通过单片机A/D功能不断采样给定速度信号，同时与位置传感器反馈信号做比较；如果实际速度大于给定速度，则根据设定决定输出占空比为零还是发出超速制动信号；

如果实际速度小于给定速度，则按按PID公式计算并调节加大占空比输出；

如果实际速度等于给定速度，则降低占空比输出并返回；

计算速度，显示当前速度。

更进一步地，所述基于单片机的磁阻电机的控制方法，当外部键盘或通信口产生中断时，如用户想设定电机各项参数或是停止指令时，让电机停车；用户可通过预先设定停车模式，确定是自然停车还是刹车停车，待完全停止后再进入参数设定，等待设定完成可启动电机；当键盘与通信同一时刻产生不同指令时，单片机先执行键盘下达的指令，直到执行完键盘指令后才可响应通信下达的指令。

当电机在运转时，此时下达换向指令，电机通过以上方式决定停车，直到转速为零才可启动反转指令。

与现有技术比较，本发明的有如下有益效果：

1、通过单片机控制只需要键盘或通信电路，即完成磁阻电机的常用控制要点。克服了当前市面的磁阻电机还不能得到灵活控制的不便。

2、本发明在传统磁阻电机中增加通信控制和开通关断角控制，以及外部键盘设定运行方式。可以精确而方便的控制磁阻电机各项参数。

3、适应范围更宽。例如一类机器要求恒速运动，另一类要求节能，并不一定要求恒速。同时更适合各种不同应用场合的使用。

4、当前的电机设计的局限是专用控制，专用恒速的电机设计不一样。不用恒速的电机（比如说抽油机）又是一个控制器。本发明可以通过设定功能来完成这种应用转换。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图示意图。

图2是本发明软件流程框图示意图。

图3是本发明所述角度细分电路部分连接关系示意图。

图4是本发明所述优先权编码电路部分连接关系示意图。

图5是本发明所述通信电路部分连接关系示意图。

具体实施方式

结合附图给出实施例，对本发明做进一步的说明。

参见图1系统方框图所示，三相整流滤波电路以及电源电路是为各个单元提供所需直流稳压电源，同时为每个驱动模块提供单个隔离的电源电压。过温，过压，缺相欠压保护电路为整个系统的保护电路。当温度或电压出现异常时，及时保护相关器件不被损坏。

键盘电路与通信电路是人机对话的接口。其操作本机运行时间，启停控制，转速控制，故障报警等。键盘电路的键盘可以采用4 X 4 的矩阵电路，8 X 1电路，或专用IC键盘电路。如74HC165转串口通信做键盘电路。

优先权编码电路：当两信号或是多信号同时发生时，把重要的信号优先执行，把一些次要的信号后执行。本实施例采用IC为MCl4532B。优先权编码电路的目的是让一些比较重要的报警信号先执行，一些紧要的报警稍后执行。参见图4为优先权编码部分电路图。EI为此芯片的使能控制脚，接低电平使能。D0-D7为输入各个报警的信号，其中D7的优先级最高，D0优先级最低。输出Q0-Q2为二进制码。例如：当D3脚为高电平时，其输出数据为3，此时D5脚为高电平，那么输出立刻为数据5。Q0-Q2连接单片机三个I/O口。Eout连接单片机低电平中断口， GS连接单片机高电平中断口，两种中断方式任选一种即可。

通信电路提供其它机器对本机器的操作平台。通过通信电路可设定的本机启停控制，运转时间等操作。可以是RS232串口，RS485，CAN，IIC，SPI，等单片机支持的，也可以使用其它的通信转换成相应通信电路。本实施例的通信电路的目的是为了用户可以通过此电路来控制电机，同时也可以通过此电路来反应电机的实时状态。参见图5为RS232串口通信电路。其中RxD ，TxD连接单片机的RxD ，TxD引脚

速度给定信号是由我们外部给定的一个参考信号，让磁阻电机在我们给定信号的值内转动。

显示电路作用为用户提供一个操作介面，或是人机对话介面。此介面可以是灯，数码管，液晶屏。

电流斩波的功能为：当外部负载较重时，由于角速度很小，旋转电动势很小，由于电源电压不变，在一相导通的一段时间内，电感不变，那么必然电流增长率很大。此时采用电流斩波来限制电流，当实际电流值达到单片机计算角度输出D/A转换电压值时，让功率管关断一个固定时间T_off。再经过T_off开通一定时间。使之形成一个幅值为限定值的斩波波形。开通时间与判断时间可适当调整，使获得较为精确的控制效果。

电流保护电路的主要作用是，防止电机绕组电流峰值超过开关器件额定值而造成开关器件的损坏。根据电机功率大小，设定一个比较基准值作为限定的上限。如果超过此值时，将此信号传达到单片机处理。由软件计数电流过载时间与过载值大小。当允许一定的过载时，可不关断主开关器件并继续工作。当过载达到上上限定值时主刻由硬件电路关断主开关器件，并向单片机做出过载或堵转信息且报警。并直到电流降到接近零时让电路恢复。

逻辑综合为相通断信号，PWM信号，电流保护信号等提供一个综合使能信号。当任意一个条件异常时都关断主开关器件。

电流传感器为整个系统检测实际的电流值，系统通过电流传感器可以实时检测到负载大小。并为电流环提供一个电流值基准。

速度传感作用是用于检测电机实时速度，并把此速度信号转换成电压电流信号反馈到单片机。此时单片机可以准确的计算出转子的位置以及适当的给出相通断信号以及开通关断角信号。计算出的实际速度与给定速度做比较。当实际速度小于给定速度时，加宽PWM占空比。使速度迅速提升至给定速度。当实际速度等于给定速度时，降低PWM占空比。再次检测实际速度与给定速度比较，做相应的闭环调整。当实际速度超过给定速度时，可根据用实际用途的场合来决定是做出相应的刹车控制还是保持实际超速状态。

整型电路的作用：当传感器反馈的电压电流信号，通常会伴随很多的干扰信号。当干扰信号大于有用信号时，有用的信号就会被淹没，使单片机无法检测到转子实际的位置与转速。那么我们就用到一定的整型电路，把干扰信号给滤除屏蔽，让有用信号通过。

信号叠加电路作用：当位置传感器反馈回的信号经过整型后。产生一定相位差的几路信号，此时我们把几路有相位差的信号相叠加，形成几路位置信号中任一个边沿变化时就让输出电平就变化的信号。此信号为几路位置信号的位差信号，即体现了传感器相对应摆放的位置。

角度细分电路作用：当位置传感器经过整形电路，再经过叠加电路后。产生一个位差信号。由于采用光电位置传感器不能对转子绝对位置定位。故只能通过角度细分电路对电机转子做相对位置的定位。此电路实际是产生一个位差信号的倍频信号，达到我们所设计时需要的精度给单片机做开通角，关断角的控制。此电路可以是锁相环倍频电路，也可以通过CPLD硬件设计的一个倍频电路。参见图3为角度细分部分电路。其将CD4046的14脚输入的S信号即S信号为三路传感器信号叠加后的信号，作2的9次方倍频，即512次倍频。如果S信号为7.5度的方波信号，那么倍频后为7.5/512=0.0146度的方波信号。即完全可以满足开通角，关断角的精度需求。倍频后的信号从CD4046的4脚输出，此脚连接单片机外部中断（即INT1）脚。

外部复位电路为单片机控制系统提供一个安全保障，当控制出现异常时可通过外部复位电路得到一个停机的装置。

单片机为整个控制的核心。通过程序编译软件对程序的编写，把程序写好之后再下载到单片机内部。本实施例单片机采用C8051F020或C8051F021芯片。参见图2可知，为本发明软件流程框图示意图，即提供单片机控制磁阻电机系统的控制方法。包括如下步骤：

7.5、根据当前转速计算并输出低速斩波基准D/A信号，供低速电流斩波控制；位置传感器反馈位置信号可计算出当前速度，根据加速或减速来调控PID时间达到调节PWM占空比宽度，同时当位置传感器产生中断，存入速度值，更换扑捉沿，做换相处理；

7.6、根据位置传感器反馈实际速度与给定速度比较结果，即通过单片机A/D功能不断采样给定速度信号，同时与位置传感器反馈信号做比较；

如果实际速度大于给定速度，则根据设定决定输出占空比为零还是发出超速制动信号；

如果实际速度等于给定速度，则降低占空比输出并返回；

计算速度，显示当前速度。

更进一步地，所述的基于单片机的磁阻电机的控制方法，当外部键盘或通信口产生中断时，如用户想设定电机各项参数或是停止指令时，让电机停车；用户可通过预先设定停车模式，确定是自然停车还是刹车停车，待完全停止后再进入参数设定，等待设定完成可启动电机；当键盘与通信同一时刻产生不同指令时，单片机先执行键盘下达的指令，直到执行完键盘指令后才可响应通信下达的指令。

当电机在运转时，此时下达换向指令，电机通过以上方式决定停车，直到转速为零才可启动反转指令。下面的工作进程反映出上述步骤的作用与功能：

（1）通电复位后，单片机先对I/O口进行初始化，以及所用到的模块初始化。通过键盘电路或是通信设置确定启动时的运转方向。

（2）根据位置传感器反馈的逻辑电平确定当前转子位置状态，同时检测外部温度信号，过压信号，缺相信号，电流保护电路信号是否正常。当任一种状态不正常时，由单片机发出并显示故障代码，同时根据设定决定是否发出报警。单片机默认输出报警信号。

（3）当用户启动电机时，单片机根据位置传感器与方向信号，确定启动时首先通电某相，再把给定速度的模拟信号做A/D转换。同时把A/D转换后的数字信号代入PID公式做运算，得出结果值送至PWM发生器做占空比调控。

（4）根据当前转速计算并送出低速电流斩波控制电压值。

（5）位置传感器反馈位置信号可计算出当前速度，根据加速或减速来调控PID时间达到调节PWM占空比宽度。同时当位置传感器产生中断，即产生换相信号，做换相处理。

（6）通过单片机A/D功能不断采样给定速度信号，同时与位置传感器反馈信号做比较。

（6.1）当实际速度大于给定速度时：根据应用场合的不同，用户可通过单片机预先设定的处理方式来完成处理对超速信号做降低占空比到某种程序还是做恒速处理。恒速处理实际是以给定速度计算出来换相时间，让转子速度保持在给定速度范围内正常转动。

（6.2）当实际速度小于给定速度时：按PI时间加大占空比，让转子迅速加速至目的速度，同时换相时间以位置传感器反馈的信号做换相处理。

（6.3）当实际速度等于给定速度时：按PD时间降低占空比，再检测转子速度是否有下降。当转子速度无下降时再降低占空比，直到转子速度有下降到临界值时保护此占空比。与第6步形成循环。

（7）当外部键盘或通信口产生中断时。如用户想设定电机各项参数或是停止指令时，让电机停车。用户可通过预先设定停车模式，确定是自然停车还是刹车停车。待完全停止后再进入参数设定。等待设定完成可启动电机。当键盘与通信同一时刻产生不同指令时，单片机先执行键盘下达的指令。直到执行完键盘指令后才可响应通信下达的指令。

（8）当电机在运转时，此时下达换向指令，电机通过第7步方式决定停车，直到转速为零才可启动反转指令。

（9）当过温信号，过压信号，缺相欠压信号，过流信号发生中断时，立刻发出停车并程序跳至第2步执行。并立刻显示故障信息。

Claims

1.一种基于单片机的磁阻电机系统，包括单片机、过温过压缺相电流保护电路、电流传感器、位置传感器、三相整流滤波电路、驱动电路、电流过流保护电路、低速电流斩波电路、逻辑综合电路、速度给定电路、外部复位电路、报警电路；其特征是，还设置有键盘电路、角度细分电路、优先权编码电路、通信电路；所述的键盘电路通过专用IC键盘电路与单片机连接，角度细分电路与单片机外部中断（即INT1）脚连接，优先权编码电路的Q0-Q2引脚与单片机三个I/O口连接，Eout脚连接单片机低电平中断口，GS脚连接单片机高电平中断口，其中低电平中断与高电平中断可任选一种方式与单片机匹配；通信电路的RxD ，TxD连接单片机的RxD，TxD引脚。

2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征在于，通过键盘或通信接口来设定电机启动、停止、运行时间、故障报警方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征在于，当超温、过压、缺相、过流发生时，通过通信功能告知用户或计算机。

4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征在于，采用CPLD/FPGA或其它硬件倍频电路做角度细分以实现开通角、关断角的精确控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征在于，用给定信号以A/D采样，经过软件做PID运算控制，再将结果值来调控PWM占空比。

6.根据权利要求1所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征在于，根据转子的实际速度做PID计算，由计算出的速度值给出相应的电流斩波基准比较电压。

7.根据权利要求1所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征是，步骤如下：

7.2、根据位置传感器反馈的逻辑电平确定当前转子位置状态，同时检测外部温度信号，过压信号，缺相信号，电流保护电路信号是否正常;当任一种状态不正常时，由单片机发出并显示故障代码，同时根据设定决定是否发出报警，单片机默认输出报警信号;

7.6、根据位置传感器反馈实际速度与给定速度比较结果，即通过单片机A/D功能不断采样给定速度信号，同时与位置传感器反馈信号做比较：

如果实际速度等于给定速度，则降低占空比输出并返回；

计算速度，显示当前速度。

8.根据权利要求7所述的一种基于单片机的磁阻电机系统，其特征是，当外部键盘或通信口产生中断时，如用户想设定电机各项参数或是停止指令时，让电机停车；用户可通过预先设定停车模式，确定是自然停车还是刹车停车，待完全停止后再进入参数设定，等待设定完成可启动电机；当键盘与通信同一时刻产生不同指令时，单片机先执行键盘下达的指令，直到执行完键盘指令后才可响应通信下达的指令；当电机在运转时，此时下达换向指令，电机通过以上方式决定停车，直到转速为零才可启动反转指令。