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基于AVR单片机电风扇360度内摇头角度自由调节装置的实现

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市场上大多数落地电风扇的摇头角度一般都在90度左右,而且摇头速度不可调节,人们在不同的环境和场合,常常根据实际情况希望能调节风扇的摇头角度和摇头的速度。在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能,直流调速技术已广泛运用于工业领域,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。本文介绍了基于新型AVR单片机169、旋转编码器AS5040及3966控制的直流电机构成的电风扇调节装置,能实现落地电风扇360度内摇头自由角度调节和摇头速度调节。1360度内摇头角度调节装置硬件设计1.1系统设计与工作原理AVR169单片机是新一代RISC结构微控制器,具有高性能、低功耗、非易失性和CMOS技术等特点,AVR169还具有32个寄存器和丰富的指令集,带有四路8/9/10位PWM功能的16位定时器,8道的10位ADC,16KB可编程Flash,1KBSRAM,可以擦写10000次,接近1MIPS/MHZ的运行速度。AS5040是Austriamicrosystems公司推出的世界上最小的10位多输出旋转磁性编码器,是将现场传感霍尔(Hall)元件、A/D转换、数字信号处理和输出接口集成到单个芯片的系统级芯片(SoC),利用其包含的小磁体,可通过磁体的360度旋转探测1024个绝对位置,即每360度提供10位分辨率的1024个绝对位置,同时提供了积分A/B、单通道和U-V-W交换等三种不同的增量输出模式,既可根据用户的特定要求设置,也可设置为脉宽调制(PWM)输出信号。PWM数字输出所需外部元件最少,使用方便简单。本装置采用了AS5040旋转编码器PWM_LSB端输出PWM脉冲,计算出电风扇摇头偏离初始位置的角度,其控制系统工作原理如图1所示。图1系统的工作原理控制电风扇摇头速度以及使其角度在一定范围内摇动,其工作原理为:把AS5040传感器装在电风扇摇头的转轴上,就能感应出电扇转过的角度与初始位置的夹角,计算出当前风扇摇头的速度,在下一个采样周期到来时,AS5040旋转编码器测得的速度信号及电机位置反馈信号通过AS5040接口反馈到AVR单片机169,单片机再根据给定的运动速度与速度的反馈信号相减,得出偏差,给定的位置信号与电机目前的位置信号进行比较,经过防积分饱和的控制算法得出控制量,单片机最终将控制量以PWM的形式输出,经过3966功率放大,驱动直流电机,进入下一个采样周期,实现根据设定值的调节,使电风扇以一定的速度并且摇头角度在设定值范围内转动。1.2旋转编码器AS5040接口电路设计AS5040旋转编码器把圆周分成1024份,当转离初始位置后,PWM_LSB端输出PWM脉冲。在0位置处,对应高电平宽度为1us,位置每加1,PWM高电平脉宽相应增加1us。通过对电机PWM的控制可以控制电机的转动,而AS5040旋转编码器随电机转轴转动,可以根据LSB端口输出脉冲计数得出电风扇摇头的速度变化,通过检测PWM_LSB输出脉冲可以得出此时刻转动的位置。AS5040引脚B_Dir_V可以直接检测出电机的正转和反转(输出1为顺时针,0为逆时针转动)。根据编码器工作原理,设计编码器硬件电路如下图2所示:图2旋转编码器接口电路电机的转速ω为:ω=c×ΔN×(终止角-起始角)÷360÷Ts(1)式中 C为标度变换系数,可根据转速的量纲来选择,ΔN为一个采样周期中的一次从起始到终止角的计数值,加上PWM输出值,再与1024比值,Ts为采样周期。1.33966驱动接口电路设计AVR单片机169输出的脉宽调制(PWM)信号需经过功率放大才能驱动电机,调速控制系统采用的是3966驱动芯片,双极性工作方式是指在一个PWM周期内电机电枢两端的电压呈正负变化,系统采用的双极性PWM控制,采用PI控制算法进行速度调节。驱动接口电路如图3所示。单片机PWM引脚PF7直接接电机的ENABLE端,它控制着电机的转速的大小。图3电机接口电路2360度内摇头角度调节装置软件设计2.1主程序模块化设计在主程序的循环中,单片机系统自行给定,获得电机转动的命令字,包括控制电机的速度和转动方向及转动位置。调用读旋转编码器模块,获得电机的实际转速和转动位置,把给定速度与实际速度作差,得出控制量偏差;把给定的位置与实际位置进行比较作差,得出位置偏差。然后,调用PI控制算法模块控制电风扇的转速。若定时到了,调用PWM驱动模块,驱动电机,形成控制系统的速度闭环。读编码器模块程序原理:AS5040的PWM_LSB端输出PWM脉冲,高电平1us对应0位置,位置加1,PWM高电平脉宽增加1us,所以高电平脉宽可以表示出此时电机转动的位置。由(1)式可以计算出电机的转速。系统软件采用模块化设计方法,主程序模块化设计框图如图4所示。2.2PI控制算法模块设计在主程序中得到速度的偏差信号和电机转动的位置偏差信号,输入到控制算法模块。系统在每一次采得速度信号的同时也获得风扇转动的位置信息,系统根据输入的位置信号与系统的运行状态判断是否反向运行。对于电机转动的速度偏差,系统通过软件对转速进行防饱和的PI调节方法,算得PWM脉宽。PI控制算法模块框图如5所示。其中Kp为比例系数,Ki为积分系数,Ui为给定值;Uk是第k次采样的测量值;Qk相当于校正量中的积分部分,初始值可取Qk=0。在数字PI控制系统中,当系统启、停或大幅度变动给定值时,系统输出会出现较大的偏差,经过积分项累积后,可能会出现积分饱和,从而增加了系统的调整时间和超调量,影响控制效果。所以,在PI算法中加入了防止积分饱和措施,即在速度偏差较大时(即E(k)Emax)采用比例调节方式,这样调节速度很快,且防止积分饱和,当速度偏差较小时(即E(k)Emax)时比例作用较弱,采用比例积分调节方法。3调节装置功能实现1、打开开始按钮,若起始角度,终止角度都处于非零(A终止A起始)则电扇开始摇头。(注:A终止和A起始都为零,A终止A起始,不摇头)2、可以设置定时摇头时间,改变在面板上按向上向下键改变摇头速度。3、若摇头过程中,需改变摇头角度,需重新输入起始终止角后按确认键后摇头角度更新。4结束语针对市场上的落地电风扇的摇头角度都在90度左右,不能进行调节摇头速度,和摇头角度,本文创新点是采用了AVR新型单片机169为微控制器,加上了AS5040旋转编码器及3966驱动,构成对直流电机控制,实现了电风扇360度内摇头角度自由调节的功能。图4系统程序总的控制流程图图5PI控制算法模块框图参考文献[1]朱欣华,姚天忠,邹丽新,智能仪器原理与设计[M],北京:中国计量出版社,2002[2]金春林,邱慧芳,张皆喜,AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M],北京:清华大学出版社,2003[3]耿德根,宋建国,AVR高速嵌入式单片机原理与应用(修订版)[M]北京:北京航空航天大学出版社2002.10[4]宋绍民,何继江,廖代文,AVR单片机在腐蚀性介质温度动态测量中的应用[J],微计算机信息,2004年第12期
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