基於AVR單片機電風扇360度內搖頭角度自由調節裝置的實現

2020-12-08 電子產品世界

市場上大多數落地電風扇的搖頭角度一般都在90度左右，而且搖頭速度不可調節，人們在不同的環境和場合，常常根據實際情況希望能調節風扇的搖頭角度和搖頭的速度。在各類機電系統中,由於直流電機具有良好的起動、制動和調速性能,直流調速技術已廣泛運用於工業領域，最常用的直流調速技術是脈寬調製 (PWM) 直流調速技術,它具有調速精度高、響應速度快、調速範圍寬和耗損低等特點。本文介紹了基於新型AVR單片機169、旋轉編碼器AS5040及3966控制的直流電機構成的電風扇調節裝置，能實現落地電風扇360度內搖頭自由角度調節和搖頭速度調節。

1 360度內搖頭角度調節裝置硬體設計

1.1 系統設計與工作原理

AVR169單片機是新一代RISC結構微控制器，具有高性能、低功耗、非易失性和CMOS技術等特點，AVR169還具有32個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位多輸出旋轉磁性編碼器, 是將現場傳感霍爾(Hall)元件、A/D轉換、數位訊號處理和輸出接口集成到單個晶片的系統級晶片(SoC)，利用其包含的小磁體,可通過磁體的360 度旋轉探測1024個絕對位置，即每360度提供10位解析度的1024 個絕對位置，同時提供了積分A/B、單通道和U-V-W交換等三種不同的增量輸出模式，既可根據用戶的特定要求設置，也可設置為脈寬調製(PWM)輸出信號。PWM 數字輸出所需外部元件最少，使用方便簡單。本裝置採用了AS5040旋轉編碼器PWM_LSB端輸出PWM脈衝，計算出電風扇搖頭偏離初始位置的角度，其控制系統工作原理如圖1 所示。


圖1 系統的工作原理

控制電風扇搖頭速度以及使其角度在一定範圍內搖動，其工作原理為：把AS5040傳感器裝在電風扇搖頭的轉軸上，就能感應出電扇轉過的角度與初始位置的夾角，計算出當前風扇搖頭的速度，在下一個採樣周期到來時,AS5040旋轉編碼器測得的速度信號及電機位置反饋信號通過AS5040接口反饋到 AVR單片機169，單片機再根據給定的運動速度與速度的反饋信號相減,得出偏差,給定的位置信號與電機目前的位置信號進行比較，經過防積分飽和的控制算法得出控制量，單片機最終將控制量以PWM的形式輸出,經過3966功率放大,驅動直流電機，進入下一個採樣周期，實現根據設定值的調節，使電風扇以一定的速度並且搖頭角度在設定值範圍內轉動。

1.2 旋轉編碼器AS5040接口電路設計

AS5040旋轉編碼器把圓周分成1024份，當轉離初始位置後，PWM_LSB端輸出PWM脈衝。在0位置處，對應高電平寬度為1us，位置每加 1，PWM高電平脈寬相應增加1us。通過對電機PWM的控制可以控制電機的轉動，而AS5040旋轉編碼器隨電機轉軸轉動，可以根據LSB埠輸出脈衝計數得出電風扇搖頭的速度變化，通過檢測PWM_LSB輸出脈衝可以得出此時刻轉動的位置。AS5040引腳B_Dir_V可以直接檢測出電機的正轉和反轉（輸出1為順時針，0為逆時針轉動）。根據編碼器工作原理，設計編碼器硬體電路如下圖2所示：

圖2 旋轉編碼器接口電路

電機的轉速ω為:

ω= c ×ΔN×(終止角－起始角) ÷360 ÷Ts （1）

式中　C為標度變換係數, 可根據轉速的量綱來選擇,ΔN 為一個採樣周期中的一次從起始到終止角的計數值，加上PWM輸出值，再與1024比值，Ts 為採樣周期。

1.3 3966 驅動接口電路設計

AVR 單片機169 輸出的脈寬調製( PWM) 信號需經過功率放大才能驅動電機,調速控制系統採用的是3966 驅動晶片, 雙極性工作方式是指在一個PWM 周期內電機電樞兩端的電壓呈正負變化，系統採用的雙極性PWM控制，採用PI控制算法進行速度調節。驅動接口電路如圖3 所示。單片機PWM引腳PF7直接接電機的ENABLE端，它控制著電機的轉速的大小。

圖3 電機接口電路

2 360度內搖頭角度調節裝置軟體設計

2.1 主程序模塊化設計

在主程序的循環中，單片機系統自行給定, 獲得電機轉動的命令字,包括控制電機的速度和轉動方向及轉動位置。調用讀旋轉編碼器模塊,獲得電機的實際轉速和轉動位置,把給定速度與實際速度作差,得出控制量偏差；把給定的位置與實際位置進行比較作差，得出位置偏差。然後,調用PI控制算法模塊控制電風扇的轉速。若定時到了，調用PWM 驅動模塊,驅動電機，形成控制系統的速度閉環。

讀編碼器模塊程序原理:AS5040的PWM_LSB端輸出PWM脈衝，高電平1us對應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電機轉動的位置。由(1) 式可以計算出電機的轉速。系統軟體採用模塊化設計方法，主程序模塊化設計框圖如圖4所示。

2.2 PI控制算法模塊設計

在主程序中得到速度的偏差信號和電機轉動的位置偏差信號，輸入到控制算法模塊。系統在每一次採得速度信號的同時也獲得風扇轉動的位置信息，系統根據輸入的位置信號與系統的運行狀態判斷是否反向運行。對於電機轉動的速度偏差，系統通過軟體對轉速進行防飽和的PI調節方法，算得PWM脈寬。PI控制算法模塊框圖如5所示。

其中Kp 為比例係數，Ki 為積分係數， Ui 為給定值； Uk 是第k 次採樣的測量值； Qk 相當於校正量中的積分部分，初始值可取Qk= 0。在數字PI 控制系統中，當系統啟、停或大幅度變動給定值時，系統輸出會出現較大的偏差，經過積分項累積後，可能會出現積分飽和，從而增加了系統的調整時間和超調量, 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（即E(k)>Emax）採用比例調節方式，這樣調節速度很快，且防止積分飽和，當速度偏差較小時（即E(k)Emax）時比例作用較弱，採用比例積分調節方法。

3 調節裝置功能實現

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

2、可以設置定時搖頭時間,改變在面板上按向上向下鍵改變搖頭速度。

3、若搖頭過程中，需改變搖頭角度，需重新輸入起始終止角後按確認鍵後搖頭角度更新。

4 結束語

針對市場上的落地電風扇的搖頭角度都在90度左右，不能進行調節搖頭速度，和搖頭角度，本文創新點是採用了AVR新型單片機169為微控制器，加上了AS5040旋轉編碼器及3966驅動，構成對直流電機控制，實現了電風扇360度內搖頭角度自由調節的功能。


圖4 系統程序總的控制流程圖

圖5 PI控制算法模塊框圖

參考文獻

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