基于微控制器的數(shù)字式溫度伺服控制系統(tǒng)

　　4 伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也主要是基于ARM 芯片進(jìn)行的,C 語言的可讀性和可移植性都非常好,這樣就能極大地縮短嵌入式軟件開發(fā)的周期,對于實(shí)時性要求不是很高的場合,應(yīng)用C 語言來編寫ARM 程序,將是未來的主流之一。系統(tǒng)程序開發(fā)總體結(jié)構(gòu)如圖4。電機(jī)伺服調(diào)速系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)分為初始化設(shè)定模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、PWM 更新模塊等4大部分組成。主程序只要調(diào)用每個模塊即可。

　　1、系統(tǒng)初始化。由于本系統(tǒng)使用C 語言進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),所以必須首先建立C 語言運(yùn)行環(huán)境,這項(xiàng)任務(wù)由Startups 這個函數(shù)來完成,運(yùn)行這個函數(shù)的方法是可以在程序開始調(diào)用這個函數(shù)。采用的方法是加載工程模板ARM Executable LPC2200,其中已經(jīng)包含了Startup.s函數(shù)。主要包括時鐘初始化、中斷向量初始化、I/O 口初始化、通用定時器初始化、捕獲單元初始化和A/D 轉(zhuǎn)換單元初始化幾部分。

　　2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊由轉(zhuǎn)速計(jì)算、換相控制、轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)3 部分組成。電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算放在捕獲中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行。我們知道霍爾位置傳感器的信號在電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周周期中有6 次換相,就是說每轉(zhuǎn)過60°機(jī)械角都有一次換相,這樣,只要檢測兩次換相的時間間隔△t,計(jì)算出兩次換相期間的平均角速度。為了保證得到最大的轉(zhuǎn)矩,就必須不斷的對無刷電機(jī)進(jìn)行換相。掌握恰到好處的換相時刻,可以減少轉(zhuǎn)矩波動,因而換相的檢測是十分重要的。在程序設(shè)計(jì)中,換相控制安排在換相中斷服務(wù)子程序中完成?；魻栁恢脗鞲衅鞯男盘柌ㄐ稳鐖D5-4 所示,每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生1800 的脈寬信號,三個霍爾傳感器的輸出信號相差1200 相位差。這樣在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周,正好產(chǎn)生6 個上升、下降沿,對應(yīng)了6 個換相時刻。通過將CAP0.0/CAPO.1/CAP0.2 設(shè)置成雙邊沿捕獲就可以捕獲這6 個時刻。同時,要將讀入的三個捕獲口的控制字,變換成對應(yīng)的開關(guān)管控制字。

　　3、電流采樣模塊。電流采樣是通過0.5Ω 精密無感電阻R 來實(shí)現(xiàn)的。電阻值的選擇要考慮當(dāng)過流發(fā)生是能輸出的最大電壓,同時起到過流檢測的作用。每一個PWM 周期對電流采樣一次。本系統(tǒng)中PWM 周期是50μs,所以電流的采樣頻率為20KHz。電流采樣中有一個問題需要特別注意,就是電流采樣時刻的選擇。由于對開關(guān)管采用單極性PWM 控制,在PWM“關(guān)”期間,電流經(jīng)過常開的開關(guān)管和另一個開關(guān)管的續(xù)流二極管形成續(xù)流回路,這個續(xù)流回路并不經(jīng)過電流檢測電阻R,因此在R 上也沒有壓降,所以在PWM 周期“關(guān)”器件不能電流采樣。

　　5 直流無刷電機(jī)調(diào)速控制算法

　　從理論上看,無刷直流電機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的公式如下:

　　由以上兩個公式可見,感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比,電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比,所以我對無刷電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)采用了如圖5 的控制策略。

　　本系統(tǒng)中,以高性能ARNI 芯片lpc2214 為核心,采用PWM 控制方式控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流,霍耳元件檢測轉(zhuǎn)子位置,以功率MOSFET 場效應(yīng)管作為功率變換器件,實(shí)現(xiàn)全數(shù)字交流溫度伺服系統(tǒng)。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)

　　本文針對數(shù)碼變溫空調(diào)溫度伺服系統(tǒng)的控制特點(diǎn),提出了一種基于lpc2214 全數(shù)字溫度伺服控制系統(tǒng),完成了系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì),同時又系統(tǒng)的軟、硬件各部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過合理的利用ARM 的片內(nèi)資源,解決了硬件系統(tǒng)冗余控制難題;根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制要求,選用了方波無刷直流電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu);根據(jù)無刷電機(jī)的控制要求,設(shè)計(jì)了基于功率MOSFET 和柵極接口驅(qū)動芯片IR2130 的驅(qū)動電路。