基于AVR單片機的直線開關磁阻電機高精度位置控制

一、項目概述

1.1 引言

電機是工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的動力設備，電機的品種很多，作用也相當廣泛。直線開關磁阻電機時一種新型的牽引電機。其主要有以下優(yōu)點：結(jié)構簡單，制作成本不高。工作穩(wěn)定且能夠在惡劣的環(huán)境下長時間正常工作，比如高溫環(huán)境，開關磁阻電機有較好的散熱性能，可以在高溫下正常工作。隨著電力電子技術的發(fā)展，開關磁阻電機控制將會變得更加容易并且控制效果更好。這種電機啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，調(diào)速范圍廣。直線開關磁阻電機除了具有以上優(yōu)點以外，在一些需要做直線運動的場合，它顯示出了強大的優(yōu)越性：再也不需要像傳統(tǒng)的做直線運動的裝置那樣，通過絲桿等傳動裝置將旋轉(zhuǎn)的運動轉(zhuǎn)化為直線運動。這樣再一次的將中間環(huán)節(jié)給節(jié)省下來了，不僅降低了設備的成本，而且能量利用率也得到了提高。開關磁阻電機控制精度高，在高精度加工領域和大功率傳輸方面有廣泛的應用前景。

1.2 項目背景/選題動機

現(xiàn)在有很多高精度加工平臺需要直線運動的牽引機構，而目前的加工平臺大部分都是利用旋轉(zhuǎn)電機做牽引，再通過機械傳動裝置將運動形式轉(zhuǎn)化為直線運動加以利用。這樣不僅設備成本會很高，而且效率也不高。而直線開關磁阻電機本身的運動形式就是直線的，如果運用到這些設備上的話就會大大降低設備成本且效率也將會得到提高。

二、需求分析

本次設計大體分為四大部分：

（1）系統(tǒng)總體方案的設計，包括系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)架構的建立、系統(tǒng)硬件設計等過程。

（2）基于單片機A/D，D/A，PWM等資源的應用。

（3）電機模塊的設計。

2.1 功能要求

（1）電流傳感器

傳感器負責采集直線電機電流以反饋給控制器進行處理。

（2）位置編碼器

位置編碼器將電機的運動的位置反饋給控制器處理。

（3）微控制器

微控制器負責處理傳感器采集的電流、編碼器反饋回來的位置。當位置指令給出以后，電機準確且迅速運動到指定位置。

（4）鍵盤模塊

鍵盤模塊負責給定輸入。

直線開關磁阻電機位置控制系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2.2 性能要求

（1）穩(wěn)定性

該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，抗干擾能力好。

（2）快速性和實時性

電機能夠迅速的動作達到指定位置，達到實時控制的目的。

（3）準確性

電機能夠準確的運動到指定位置。

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

系統(tǒng)主要分為5個部分，包括位置檢測部分、電流采集部分、MCU控制部分、電機模塊、按鍵輸入給定位置部分。系統(tǒng)通過MCU的并口I/O一直檢測各路傳感器狀態(tài)，按照給定輸入值進行動作。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

MCU控制部分采用Atmel公司提供的一款基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100模塊。

3.3系統(tǒng)軟件架構

為了突出系統(tǒng)的實時性，軟件設計按鍵輸入的給定。值和編碼器輸入的位置都采用中斷的方式來處理。具體軟件流程圖2和圖3所示。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

圖2 微控制器工作流程圖

圖3 中斷子程序流程

3.5 系統(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

在電機的位置控制精度在1um級的前提下，盡量提高其位置控制精度。嘗試各種高級算法（魯棒控制、自適應以及模糊神經(jīng)網(wǎng)絡）在保證精度的前提下，達到實時控制。