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    基于AVR单片机的直线电机位置控制

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    点击次数:更新时间:2017-11-24 17:11:51

    基于AVR单片机的直线电机位置控制
     
    直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置。它在精密机床、磁悬浮列车、电磁轨道炮、电磁弹射器等领域具有广阔的应用前景。采用直线电机驱动的装置和其它采用非直线电机驱动的装置相比,它具有以下一些特点:不需要任何转换装置就可以直接产生纵向推动力,因此,它可以省去中间转换机构,简化了整个装置或系统。
    普通旋转电机由于受到离心力的作用,其圆周速度受到限制;而直线电机则可以不受限制。直线电机通过电能直接产生直线电磁推力。其运动可以无机械接触,使其传动零部件无磨损。普通旋转电机通过齿条、传动带等机构将圆周运动转换成直线运动,其噪声是不可避免的;而直线电机的噪声很小或无噪声,运行环境好。目前,许多学者对直线电机的建模与控制进行了深入的研究,文献都讨论了直线电机的特性和建模方法,并给出了相关的控制算法,但由于其算法复杂,低成本的单片机无法实时执行,限制了直线电机在低端领域的应用。
     
    本文对电压空间矢量控制算法进行了合理的简化,分析了这种简化的合理性,设计制作了驱动电路,并在8位的AVR单片机上实现了该算法。
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    1直线电机原理与选型
    直线电机的原理并不复杂。设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开,并且展平,这就成了一台直线感应电动机,如图1所示。
    在直线电机中,相当于旋转电机定子的,叫初级;相当于旋转电机转子的,叫次级。初级中通以交流电压,次级就在电磁力的作用下沿着初级做直 线运动。这时初级要做得很长,延伸到运动所需要达到的位置,而次级则不需要那么长。实际上,直线电机既可以把初级做得很长,也可以把次级做得很长;既可以初级固定、次级移动,也可以次级固定、初级移动。
    基于AVR单片机的直线电机位置控制
    图1直线电机原理图
    按型式不同,直线电机主要可分为扁平型、圆筒型(或管型)、圆盘型和圆弧型四种。根据导引头方案的设计要求,本文选用FAULHABER圆筒型永磁直线电机,型号为LM1247-080-01,如图2所示。该直线电机内置三个线性霍尔传感器,主要性能指标见表1。
    驱动电路设计
    图2所选直线电机外形图 
    表1 LMI247-080-01直线电机的主要指标
    推力常数 6.43
    EMF 常数 5.25
    相电阻 13.17
    最大行程  80
    重复定位精度 40
    定位精度 180
    最高加速度  91.57
    最大速度  2.71
    磁极距 18
    磁极对数 16
     
     
    2驱动电路设计
    正如前文所述,直线电机可由旋转电机展平得到,而此处所选的永磁直线电机对应的旋转电机则是永磁无刷直流电机,其驱动电路也可参照无刷电 
    机的驱动方案来设计。
    结合相关文献[4 - 5 ]的设计方案和本实验室在无刷电机方面的设计经验,直线电机的驱动电路设计方案如图3所示:
    驱动电路设计
     
    在图3中,单片机(MCU)选用Mega8,将其三个引脚PB0-3分别命名为PWMO、PWM.l、PWM2,它们通过自举芯片IR2103控制三个桥臂(为简便起见,图中只 画出了 PWM0控制的一路),从而控制直线电机的三相电路,电机推杆的位置信息由三个霍尔传感器测量,反馈给MCU的AD转换器。由于PWMn(n=0,12)同时控制IR2103的两个控制引脚,电机的任一相电路都只能接电源正或者负极,而没有断开悬空的状态。IR2103内部的延时电路可以保证同一桥臂上的两个场效应管不会同时导通。需要特别说明的是,连结自举芯片和场效应管的电阻 R38、 R39不可取得太大,不能超过20£1,甚至可以取到0,否则由于场效应管的容性而延长关断时间,从而导致桥臂的瞬间短路,尽管短路时间只有一个微秒左右,但由于后文所述的PWM(脉宽调制)频率高达6kHz,瞬间短路同样会使得电流过大,损坏电源或者场效应管
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