【文章內(nèi)容簡介】 H H H3感應(yīng)出來的信號分別為 101（ AB）、100（ AC）、 110（ BC）、 010（ BA）、 011（ CA）、 001（ CB）然后進(jìn)行下一輪循環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，三個(gè)霍爾傳感器感應(yīng)出來的值正好次序相反。 圖 無刷直流電機(jī)工作原理圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的反轉(zhuǎn)控制，只需要按照以上感應(yīng)出的霍爾信號反向給出控制信號即可。 控制脈沖的頻率決定步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈沖的時(shí)間 間隔越短，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。 軟件脈沖分配方式的調(diào)速，可以通過采用延時(shí)或定時(shí)程序調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)；硬件脈沖分配方式的調(diào)速，可以通過控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。 假設(shè)讓電機(jī)以恒定的加速度加速到指定的轉(zhuǎn)速，之后勻速運(yùn)行。當(dāng)快要到達(dá)指定的停止位置時(shí)，再以恒定的加速度減速，在停止位置處停住，如圖 所示。其中加速度要根據(jù)不同的電機(jī)，設(shè)定不同的加速度值。如果它的值太大，則可以較快地到達(dá)目的位置，但有可能產(chǎn)生振蕩。如果它的值太小，由于轉(zhuǎn)矩與加減速度成正比，轉(zhuǎn)矩可能過小，產(chǎn)生失步。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要 因電機(jī)而異。 圖 加減速示意圖 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從 A點(diǎn)到 B點(diǎn)移動時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過程。如果啟動頻率超過極限啟動頻率 ，步進(jìn)電動機(jī)會產(chǎn)生失步，不能正常啟動；如果突然停止，會由于慣性發(fā)生過沖，造成位置精度降低；升降速過于緩慢，則會影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。對步進(jìn)電動機(jī)的加減速應(yīng)在保證不失步和不過沖的前提下，盡快移動到指定位置。 為了滿足加減速要求，步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行通常按照根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)得到的加減速曲線進(jìn)行。如圖 （ a）所示的勻加減速曲線和圖 （ b）所示的 S 形（分段 指數(shù)曲線）加減速曲線。 圖 加減速運(yùn)行曲線 （ a）勻加減速曲線；（ b） S形加減速曲線 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 加減速實(shí)時(shí)算法的核心是使用定時(shí)中斷，當(dāng)定時(shí)器發(fā)生超時(shí)中斷時(shí)，中斷服務(wù)程序推動電機(jī)走下一步，然后計(jì)算出下一步將要維持的時(shí)間，并以之設(shè)置定時(shí)器下一次的中斷時(shí)間。當(dāng)下一次中斷來臨時(shí)，再推動一步，并設(shè)置再下一步的時(shí)間，如此循環(huán)往復(fù)。如圖 所示，步進(jìn)電機(jī)先以加速度 加速，然后以加速度減速到停止，之間沒有勻速過程。從 到 是第一步持續(xù)的時(shí)間 ，從 到 是第二步持續(xù)的時(shí)間 ，從 到 是最后一步持續(xù)的時(shí)間 ；每一步的時(shí)間間隔越短，平均加減速度越接近 和 。 圖 用定時(shí)器控制時(shí)間 如圖 所示，電機(jī)某一步的持續(xù)時(shí)間（即定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間） 為 （ ） 式中： 為第 n步時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值； f為給定時(shí)器提供的時(shí)鐘源頻率。 轉(zhuǎn)速 （單位： ）為 （ ） 加速度 （單位： ）為 （ ） 式（ ）假設(shè)了每步的平均速度等于中心時(shí)間的速度。如果為加速狀態(tài)，則 ， ；如果為減速狀態(tài)，則 ， 。 電機(jī)轉(zhuǎn)過的步數(shù) n 為 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 （ ） 轉(zhuǎn)過 n步所花的時(shí)間 為 （ ） 由圖 可知，第 n步的定時(shí)器計(jì)數(shù)值 為 （ ） 由式（ ）和式（ ）可得第 0步的計(jì)數(shù)值 為 （ ） 再由式（ ）、式（ ）和式（ ），可得第 n 步的定時(shí)器計(jì)數(shù)值 也可表示為 （ ） 由式（ ）可知，第 0 步的計(jì)數(shù)值 包含了加速度 的信息，只要把 設(shè)定好，后面的實(shí)時(shí)計(jì)算就不用再考慮 了。但式（ ）需要開平方，它不適合沒有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的處理器，下面再加以變換。 由式（ ）可得相鄰兩步的比值為 （ ） 根據(jù)泰勒變換可得 （ ） 再由式（ ）、式（ ）和式（ ）代入式（ ）可近似得到 （ ） 根據(jù)泰勒變換可得 （ ） 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 把式（ ）的 n換成 i，得 （ ） 由式（ ）開始，就假設(shè)了 大于零，即為加速，所以式（ ）是加速的遞推公式，只要知道前一步的計(jì)數(shù)值，就可以算出后一步的計(jì)數(shù)值。加速過程如圖 所示。 可以推斷，減速過程是圖 的逆過程，如圖 所示。它的第 0步是對應(yīng)加速過程的第 i 步，最后一步對應(yīng)加速過程的第 0步。如果減速過程中要跑 m步，則有 （ ） 圖 加速過程 圖 減速過程 現(xiàn)在根據(jù)式（ ）和式（ ）分別列出相鄰的兩步 c 值之比的確切值與近似值，見表 所示。這里假設(shè) 。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 表 n 確切的 近似的 近似值誤差 1 2 3 4 5 6 10 100 1000 從表 可以看出，除 外，其他比值的誤差都很小。由于每一步的延時(shí)時(shí)間是由前一步計(jì)算出來的，如果 的誤差較大，后面每一步的延時(shí)誤差都增大。解決辦法是把 單獨(dú)挑出來，使它等于 倍的 ，其他值依然按照式（ ）遞推計(jì)算 （ ） 最后，由式（ ）可推導(dǎo)出步進(jìn)電機(jī)從速度為 0 加速到 s，以及速度從 s減速到 0 所要走的步數(shù)為 （ ） 在本例中，加速過程的加速度和加速過程的減速度都為 1000 ，給定時(shí)器提供的時(shí)鐘源頻率為 50MHz，根據(jù)式（ ）和式（ ）可以計(jì)算出 和的值，根據(jù)式（ ）就可以導(dǎo)出 的值。由以上分析可進(jìn)行編程調(diào)試。 由 V1～ V6六只功率管構(gòu)成的驅(qū)動全橋可以控制繞組的通電狀態(tài)。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種控制方式。由于兩兩導(dǎo)通方 式提供了更大的電磁轉(zhuǎn)矩而被廣泛采用。在兩兩導(dǎo)通方式下，每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔 1／ 6周期即 60176。電角度換相一次，每只功率管持續(xù)導(dǎo)通 120176。電角度，對應(yīng)每相繞組持續(xù)導(dǎo)通 120176。，在此期間相電流方向保持不變。為保證產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，通常需要使繞組合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場保持垂直。由于采用換相控制方式，其定子繞組產(chǎn)生的是跳變的磁場，使得該磁場與轉(zhuǎn)子磁場的位置保持在 60176?！?120176。相對垂直的范圍區(qū)間。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 圖 無刷直流電機(jī)控制器原理框圖 單片機(jī)從鍵盤獲得啟動信號，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速信息配置輸出 PWM 信號的相關(guān)頻率和占空比，電機(jī)通過霍爾傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過 AD 采集模塊采集接在桿路上小電阻的電壓信息獲取電流信號，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能，單片機(jī)將轉(zhuǎn)速信息和功率信息顯示在液晶屏上。 作為系統(tǒng)框架的硬件系統(tǒng)，如果沒有軟件，那么所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就像 沒有靈魂一樣，由此可見，軟件實(shí)現(xiàn)的好壞將對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響是至關(guān)重要的。針對本設(shè)計(jì)，系統(tǒng)完成機(jī)械的自動化改裝和硬件設(shè)計(jì)之后，根據(jù)軟件編程方法，需要提出軟件的設(shè)計(jì)思路，如圖 所示為本系統(tǒng)總體軟件的設(shè)計(jì)思路。為保證自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，程序中必須對各個(gè)功能模塊進(jìn)行合理的調(diào)度，使各個(gè)功能模塊更加靈活高效地實(shí)現(xiàn)各自的控制功能。 本設(shè)計(jì)中對各個(gè)功能模塊的編程設(shè)計(jì)是通過 C 語言實(shí)現(xiàn)的，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想，完成對沖孔打樁機(jī)自動控制系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體軟件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 圖 3 無刷直流電機(jī) 控制器的硬件設(shè)計(jì) 18 3 無刷直流電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì) 微控制器的選擇：系統(tǒng)采用 ATmega128 為核心控制芯片。 ATmega128 微控制器是的 8 位單片機(jī)， 64 管腳封裝。因其容量大，處理速度快， I/O 口也足夠，耐溫較 51 單片機(jī)要好很多，所以選此芯片。其最小系統(tǒng)原理圖如下圖所示 。 圖 ATmega128 最小系統(tǒng)原理圖 兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器。 兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器。 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。 兩路 8 位 PWM。 6路分辨率可編程（ 1 到 16 位）的 PWM 輸出比較調(diào)制器。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 8路 10 位 ADC,8 個(gè)單端通道 ,7 個(gè)差分通道 ,2 個(gè)具有可編程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道。 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測。 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器。 片內(nèi) / 片外中斷源。 6種睡眠模式 : 空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式。 可以通過軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率。 編輯本段 I/O 封裝。 53 個(gè)可編程 I/O – 64 引腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝。 工作電壓： ATmega128L, ATmega128。 速度等級： 0 8 MHz ATmega128L,0 16 MHz ATmega128。 ATmega128TQFP 封裝現(xiàn)主要有這些型號： ATmega12816AU、 ATmega12816AI。 ATmega128 各引腳功能如下： Vcc:數(shù)字電路的電源 ,GND:地。 端口 A(PA7~PAO):端口 A為雙向 I/O 口并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性 ,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,若內(nèi)部上拉電阻使能 ,則端口被外部 電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 A 為三態(tài)。端口 A也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 B(PB7~PB0):端口 B 為 8 位雙向 I/O 口 ,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 B 為三態(tài)。端口 8 也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 C(PC7~PC0):端口 C 為 8 位雙向 I/0 口 ,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 C 為三態(tài)。端口 C 也可以用作其他不同的特殊功能。在 ATmegal03 兼容模式下 ,端口 C只能作為輸出 ,而且在復(fù)位發(fā)生時(shí)不是三態(tài)。 端口 D(PD7~PD0):端口 D 為 8 位雙向 I/0 口 ,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 D 為三態(tài)。端口 D 也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 E(PE7~PE0):端口 E 為 8 位雙向 I/0 口 ,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 E 為三態(tài)。端口 E 也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 F(PFT~PF0):端口 F為 ADC 的模擬輸人引腳。如果不作為 ADC 的模擬輸入 .端口 F 可以作為 8位雙向 I/0 口并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性 ,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) ,若內(nèi)部上拉電阻使能 .則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 F 為三態(tài)。如果使能 JTAG 接口 .則復(fù)位發(fā)生時(shí)引腳 PF 7(TDI)、 PF5(TMS)和 PF4(TCK)的上拉電阻使能。端口 F 也 可以作為 J TAG 接口。在 ATmegal03 兼容模式下 ,端口 F只能作為輸入引腳。 端口 G(PG4~PG0):端口 G為 5位雙向 I/O口 ,并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性 ,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí) .若內(nèi)部上拉電阻使能 .則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 G西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 為三態(tài)。端口 G 也可以用作其他不同的特殊功能。在 ATmegal 03 兼容模式下，端口 G 只能作為外部存儲器的鎖存信號以及 32kHz 振蕩器的輸入 ,并且在復(fù)位時(shí)這些引腳初始化為 PG0= PGl=1 以及 PG2=0。 PG3和 PG4 是振蕩器引腳。 RESET:復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。低于