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1 引言 居室氣候是一種與人體健康最密切的人造氣候。隨著人們物質生活水平的日益提高,各種調節居室氣候的電器產品已越來越多地進入尋常百姓家,居室氣候已變得越來越舒適,越來越不受自然氣候的制約。空調控制室內溫度隨室外溫度改變而連續緩慢變化,更貼近人的生理感受,使人感覺更加舒適,健康。本文以數碼變溫空調的研究為背景,以其中伺服系統的設計為核心,研究內容涉及溫度控制器的設計、電機驅動電路設計、電機調速方案確定以及程序實現等方面。 2 伺服系統硬件結構框圖設計 以lpc2214 為核心的溫度控制器硬件框圖如圖1 所示,它由嵌入式微控制器lpc2214,電源模塊,時鐘系統,JTAG 調試接口,復位電路,數字溫度采集部分,LCD 液晶顯示器,獨立鍵盤,電機控制模塊等部分組成。 3 硬件部分詳細電路設計 3.1 基于ARM 的最小系統設計 基于lpc2214 的最小系統主要由電源模塊、時鐘模塊、JTAG 調試模塊、復位配置模塊構成,lpc2214 自帶16K 靜態SRAM 和128K FLASH,可以下載用戶程序,所以不需要外擴存儲器模塊。 1、電源系統。控制系統使用的lpc2214 芯片,需要4 組電源輸入:數字3.3V、數字1.8V,模擬3.3V、模擬1.8V。理想情況下,電源系統需要提供4 組獨立的電源:兩組3.3 V 電源和兩組1.8V 電源,它們需要單點接地或者大面積接地。本系統中使用的A/D 功能對電流進行采樣,要求不高,所以模擬電源和數字電源可以不分開供電。數字溫度傳感器DS1820 可以使用單線寄生電源,可以直接掛入lpc2214 的I/O 口進行溫度采集,所以不需要單獨供電。這樣,末級只需要提供兩組電源。電源的前級設計和末級設計與供給系統的電源的輸入有關,前級電源使用9-15V 直流電壓輸入。 2、時鐘系統與復位電路。系統使用外部晶振或外部時鐘源,內部PLL(鎖相環)電路可以調整系統時鐘,使系統的運行速度更快(CPU 的最大操作時鐘為60MHz)。倘若不使用片內的PLL 功能及ISP(在系統編程)功能,則外部晶振頻率范圍是1"30MHz,外部時鐘頻率的范圍是1"50MHz;若使用外部PLL 功能或ISP 功能,則外部晶振頻率范圍是10"25MHz,外部時鐘頻率范圍是10"25MHz。lpc2214 有兩個復位源,RESET 引腳和看門狗(WDT)復位。RESET 復位屬于硬件復位,看門狗復位屬于軟件復位。 3、JTAG 調試接口。調試與測試接口不是系統運行必需的,但現代系統越來越強調可測性,調試、測試接口的設計也越來越受到重視。 圖3 是復位和JTAG 接口電路,它在復位信號和CPU 之間插入三態門74HC125。使用三態門主要是為了復位芯片和JTAG 仿真器都可復位。如果沒有74HC125,當復位芯片輸出高電平,JTAG 仿真器就不能把它拉低,這不但不能實現所需要的功能,還可能損壞復位芯片或JTAG 仿真器。因為這種電路JTAG 仿真器對lpc2214 有完全的控制,仿真性能最好。 3.2 溫度采集與液晶接口模塊 溫度采集部分是本系統中的關鍵模塊之一,負責實時采集室內、室外的溫度信息,并以溫度的變化作為控制電機運行的參數,系統對溫度采集的基本要求是:溫度采集的準確度高,抗干擾性強,容易實現長距離溫度的采集以及多點采集,并且硬件實現簡單。基于以上的原則,本設計選擇單線總線數字溫度傳感器DS1820 來實現。其框圖如圖3 所示。 DS1820 可以程序設定9"12 位分辨率,精度為±0.5℃;數字溫度傳感器DS1820,和傳統的模擬傳感器相比,不需要進行A/D 轉換,所以抗干擾性有了很大的提高;所謂一線總線的特性,即是指電源和信號復合在一起,僅使用一根口線,就可以實現溫度的采集。這點更適合本系統中的長距離、多點采集的要求,且實現簡單。 液晶模塊是本系統的人機交互模塊,負責實時顯示系統運行時的各種參數,包括室內、室外溫度,電機轉速、參考電流等模擬量。本系統使用的是SMG240128A 點陣圖形液晶模塊。 SMG240128A 點陣液晶模塊的點像素為240×128 點,黑色字/白色底,STN 液晶屏,視角為6:00,內嵌控制器為TOSHIBA 公司的T6963C,外部顯示存儲器為32KB。對于lpc2214 微控制器來說,可以采用外部存儲器接口與液晶模塊進行連接,LCD 內部集成了負壓DC-DC 電路(LCD驅動電壓),使用時只需要提供單5V 電源即可。 3.3 功率驅動電路 無刷直流電機驅動電路由驅動芯片IR2130 和三相全橋逆變電路構成。集成驅動芯片IR2130 內部自舉技術形成懸浮的高壓側電源,因而只用一路電源即可驅動三相橋式逆變電路中母線電壓不超過600V 的六個MOSFET,降低了電路設計復雜度,提高了系統的可靠性。 前級控制單元輸出的六路脈寬調制信號經過光電隔離輸入到柵極功率驅動芯片IR2130,經過驅動放大后控制六只功率MOSFET 進行開關動作,實現對電機的控制。同時,電流檢測電路實時檢測主回路電流,經過信號調理,一方面作為IR2130 自身過流檢測單元的輸入信號,另一方面作為電機電流反饋信號輸入到lpc2214 的A/D 轉換單元,實現電機電流的閉環控制;當電路產生過流、過壓和欠壓故障時,產生報警信號,反饋給前級控制電路,以切斷輸入到功率驅動電路的脈寬調制信號。 4 伺服系統軟件設計 本系統的軟件設計也主要是基于ARM 芯片進行的,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的周期,對于實時性要求不是很高的場合,應用C 語言來編寫ARM 程序,將是未來的主流之一。系統程序開發總體結構如圖4。電機伺服調速系統軟件總體結構分為初始化設定模塊、轉速調節模塊、電流調節模塊、PWM 更新模塊等4大部分組成。主程序只要調用每個模塊即可。 1、系統初始化。由于本系統使用C 語言進行軟件系統設計,所以必須首先建立C 語言運行環境,這項任務由Startups 這個函數來完成,運行這個函數的方法是可以在程序開始調用這個函數。采用的方法是加載工程模板ARM Executable LPC2200,其中已經包含了Startup.s函數。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 轉換單元初始化幾部分。 2、轉速調節模塊。轉速調節模塊由轉速計算、換相控制、轉速PI 調節3 部分組成。電機轉速的計算放在捕獲中斷服務子程序中進行。我們知道霍爾位置傳感器的信號在電機轉子旋轉一周周期中有6 次換相,就是說每轉過60°機械角都有一次換相,這樣,只要檢測兩次換相的時間間隔△t,計算出兩次換相期間的平均角速度。為了保證得到最大的轉矩,就必須不斷的對無刷電機進行換相。掌握恰到好處的換相時刻,可以減少轉矩波動,因而換相的檢測是十分重要的。在程序設計中,換相控制安排在換相中斷服務子程序中完成。霍爾位置傳感器的信號波形如圖5-4 所示,每一個霍爾傳感器都會產生1800 的脈寬信號,三個霍爾傳感器的輸出信號相差1200 相位差。這樣在轉子旋轉一周,正好產生6 個上升、下降沿,對應了6 個換相時刻。通過將CAP0.0/CAPO.1/CAP0.2 設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,變換成對應的開關管控制字。 3、電流采樣模塊。電流采樣是通過0.5Ω 精密無感電阻R 來實現的。電阻值的選擇要考慮當過流發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。由于對開關管采用單極性PWM 控制,在PWM“關”期間,電流經過常開的開關管和另一個開關管的續流二極管形成續流回路,這個續流回路并不經過電流檢測電阻R,因此在R 上也沒有壓降,所以在PWM 周期“關”器件不能電流采樣。 5 直流無刷電機調速控制算法 從理論上看,無刷直流電機的感應電動勢和電磁轉矩的公式如下: 由以上兩個公式可見,感應電動勢與轉子轉速成正比,電磁轉矩與定子電流成正比,所以我對無刷電機的調速系統采用了如圖5 的控制策略。 本系統中,以高性能ARNI 芯片lpc2214 為核心,采用PWM 控制方式控制電機的轉速和電流,霍耳元件檢測轉子位置,以功率MOSFET 場效應管作為功率變換器件,實現全數字交流溫度伺服系統。 本文作者創新點 本文針對數碼變溫空調溫度伺服系統的控制特點,提出了一種基于lpc2214 全數字溫度伺服控制系統,完成了系統的總體方案設計,同時又系統的軟、硬件各部分進行了詳細的設計與實現。通過合理的利用ARM 的片內資源,解決了硬件系統冗余控制難題;根據伺服系統的控制要求,選用了方波無刷直流電機作為伺服系統的執行機構;根據無刷電機的控制要求,設計了基于功率MOSFET 和柵極接口驅動芯片IR2130 的驅動電路。 |
