基于AVR169单片机电风扇360度内摇头角度自由调节的实现

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    摘要：本文介绍了一种基于AVR单片机Atmel 169，与旋转编码器AS5040及3966控制直流电机构成的电风扇360度内摇头角度调节装置的实现，设计了AS5040旋转编码器接口电路、PWM驱动接口电路和防积分饱和的PI控制算法。
关键词：AVR单片机169，旋转编码器AS5040，直流电机，PWM
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。

1  360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Austria microsystems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。
1.3  3966 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
2  360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。
2.2  PI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)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5  PI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

      

卓钢锴

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