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。
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。
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
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：
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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