基于AVR單片機(jī)電風(fēng)扇360度內(nèi)搖頭角度自由調(diào)節(jié)裝置的實(shí)現(xiàn)

作者：時(shí)間：2012-01-19 來源：網(wǎng)絡(luò)

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市場(chǎng)上大多數(shù)落地電風(fēng)扇的搖頭角度一般都在90度左右，而且搖頭速度不可調(diào)節(jié)，人們?cè)诓煌沫h(huán)境和場(chǎng)合，常常根據(jù)實(shí)際情況希望能調(diào)節(jié)風(fēng)扇的搖頭角度和搖頭的速度。在各類機(jī)電系統(tǒng)中,由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能,直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制 (PWM) 直流調(diào)速技術(shù),它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。本文介紹了基于新型AVR單片機(jī)169、旋轉(zhuǎn)編碼器AS5040及3966控制的直流電機(jī)構(gòu)成的電風(fēng)扇調(diào)節(jié)裝置，能實(shí)現(xiàn)落地電風(fēng)扇360度內(nèi)搖頭自由角度調(diào)節(jié)和搖頭速度調(diào)節(jié)。

1 360度內(nèi)搖頭角度調(diào)節(jié)裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

AVR169單片機(jī)是新一代RISC結(jié)構(gòu)微控制器，具有高性能、低功耗、非易失性和CMOS技術(shù)等特點(diǎn)，AVR169還具有32個(gè)寄存器和豐富的指令集，帶有四路8/9/10位PWM功能的16位定時(shí)器,8道的10位ADC,16KB可編程Flash,1KBSRAM，可以擦寫10000次，接近 1MIPS/MHZ的運(yùn)行速度。

AS5040是Austria microsystems公司推出的世界上最小的10位多輸出旋轉(zhuǎn)磁性編碼器, 是將現(xiàn)場(chǎng)傳感霍爾(Hall)元件、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理和輸出接口集成到單個(gè)芯片的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)，利用其包含的小磁體,可通過磁體的360 度旋轉(zhuǎn)探測(cè)1024個(gè)絕對(duì)位置，即每360度提供10位分辨率的1024 個(gè)絕對(duì)位置，同時(shí)提供了積分A/B、單通道和U-V-W交換等三種不同的增量輸出模式，既可根據(jù)用戶的特定要求設(shè)置，也可設(shè)置為脈寬調(diào)制(PWM)輸出信號(hào)。PWM 數(shù)字輸出所需外部元件最少，使用方便簡單。本裝置采用了AS5040旋轉(zhuǎn)編碼器PWM_LSB端輸出PWM脈沖，計(jì)算出電風(fēng)扇搖頭偏離初始位置的角度，其控制系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的工作原理

控制電風(fēng)扇搖頭速度以及使其角度在一定范圍內(nèi)搖動(dòng)，其工作原理為：把AS5040傳感器裝在電風(fēng)扇搖頭的轉(zhuǎn)軸上，就能感應(yīng)出電扇轉(zhuǎn)過的角度與初始位置的夾角，計(jì)算出當(dāng)前風(fēng)扇搖頭的速度，在下一個(gè)采樣周期到來時(shí),AS5040旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的速度信號(hào)及電機(jī)位置反饋信號(hào)通過AS5040接口反饋到 AVR單片機(jī)169，單片機(jī)再根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)速度與速度的反饋信號(hào)相減,得出偏差,給定的位置信號(hào)與電機(jī)目前的位置信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過防積分飽和的控制算法得出控制量，單片機(jī)最終將控制量以PWM的形式輸出,經(jīng)過3966功率放大,驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)采樣周期，實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)，使電風(fēng)扇以一定的速度并且搖頭角度在設(shè)定值范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 旋轉(zhuǎn)編碼器AS5040接口電路設(shè)計(jì)

AS5040旋轉(zhuǎn)編碼器把圓周分成1024份，當(dāng)轉(zhuǎn)離初始位置后，PWM_LSB端輸出PWM脈沖。在0位置處，對(duì)應(yīng)高電平寬度為1us，位置每加 1，PWM高電平脈寬相應(yīng)增加1us。通過對(duì)電機(jī)PWM的控制可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，而AS5040旋轉(zhuǎn)編碼器隨電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以根據(jù)LSB端口輸出脈沖計(jì)數(shù)得出電風(fēng)扇搖頭的速度變化，通過檢測(cè)PWM_LSB輸出脈沖可以得出此時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。AS5040引腳B_Dir_V可以直接檢測(cè)出電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)（輸出1為順時(shí)針，0為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)）。根據(jù)編碼器工作原理，設(shè)計(jì)編碼器硬件電路如下圖2所示：

圖2 旋轉(zhuǎn)編碼器接口電路

電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω為:

ω= c ×ΔN×(終止角－起始角) ÷360 ÷Ts （1）

式中　C為標(biāo)度變換系數(shù), 可根據(jù)轉(zhuǎn)速的量綱來選擇,ΔN 為一個(gè)采樣周期中的一次從起始到終止角的計(jì)數(shù)值，加上PWM輸出值，再與1024比值，Ts 為采樣周期。

1.3 3966 驅(qū)動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)

AVR 單片機(jī)169 輸出的脈寬調(diào)制( PWM) 信號(hào)需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī),調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是3966 驅(qū)動(dòng)芯片, 雙極性工作方式是指在一個(gè)PWM 周期內(nèi)電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化，系統(tǒng)采用的雙極性PWM控制，采用PI控制算法進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)接口電路如圖3 所示。單片機(jī)PWM引腳PF7直接接電機(jī)的ENABLE端，它控制著電機(jī)的轉(zhuǎn)速的大小。

圖3 電機(jī)接口電路

2 360度內(nèi)搖頭角度調(diào)節(jié)裝置軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序模塊化設(shè)計(jì)

在主程序的循環(huán)中，單片機(jī)系統(tǒng)自行給定, 獲得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的命令字,包括控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)位置。調(diào)用讀旋轉(zhuǎn)編碼器模塊,獲得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)位置,把給定速度與實(shí)際速度作差,得出控制量偏差；把給定的位置與實(shí)際位置進(jìn)行比較作差，得出位置偏差。然后,調(diào)用PI控制算法模塊控制電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。若定時(shí)到了，調(diào)用PWM 驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)電機(jī)，形成控制系統(tǒng)的速度閉環(huán)。

讀編碼器模塊程序原理:AS5040的PWM_LSB端輸出PWM脈沖，高電平1us對(duì)應(yīng)0位置，位置加1，PWM高電平脈寬增加1us，所以高電平脈寬可以表示出此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置。由(1) 式可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主程序模塊化設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

2.2 PI控制算法模塊設(shè)計(jì)

在主程序中得到速度的偏差信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置偏差信號(hào)，輸入到控制算法模塊。系統(tǒng)在每一次采得速度信號(hào)的同時(shí)也獲得風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的位置信息，系統(tǒng)根據(jù)輸入的位置信號(hào)與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)判斷是否反向運(yùn)行。對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度偏差，系統(tǒng)通過軟件對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行防飽和的PI調(diào)節(jié)方法，算得PWM脈寬。PI控制算法模塊框圖如5所示。

其中Kp 為比例系數(shù)，Ki 為積分系數(shù)， Ui 為給定值； Uk 是第k 次采樣的測(cè)量值； Qk 相當(dāng)于校正量中的積分部分，初始值可取Qk= 0。在數(shù)字PI 控制系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)啟、?；虼蠓茸儎?dòng)給定值時(shí)，系統(tǒng)輸出會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，經(jīng)過積分項(xiàng)累積后，可能會(huì)出現(xiàn)積分飽和，從而增加了系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)量, 影響控制效果。所以，在PI 算法中加入了防止積分飽和措施,即在速度偏差較大時(shí)（即E(k)>Emax）采用比例調(diào)節(jié)方式，這樣調(diào)節(jié)速度很快，且防止積分飽和，當(dāng)速度偏差較小時(shí)（即E(k)Emax）時(shí)比例作用較弱，采用比例積分調(diào)節(jié)方法。

3 調(diào)節(jié)裝置功能實(shí)現(xiàn)

1、打開開始按鈕，若起始角度，終止角度都處于非零（A終止>A起始）則電扇開始搖頭。（注：A終止和A起始都為零，A終止A起始,不搖頭）

2、可以設(shè)置定時(shí)搖頭時(shí)間,改變?cè)诿姘迳习聪蛏舷蛳骆I改變搖頭速度。

3、若搖頭過程中，需改變搖頭角度，需重新輸入起始終止角后按確認(rèn)鍵后搖頭角度更新。

4 結(jié)束語

針對(duì)市場(chǎng)上的落地電風(fēng)扇的搖頭角度都在90度左右，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)搖頭速度，和搖頭角度，本文創(chuàng)新點(diǎn)是采用了AVR新型單片機(jī)169為微控制器，加上了AS5040旋轉(zhuǎn)編碼器及3966驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成對(duì)直流電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了電風(fēng)扇360度內(nèi)搖頭角度自由調(diào)節(jié)的功能。