基于AVR的直流電機高精度數(shù)字控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)以永磁式直流力矩電機為對象，其額定工作電壓為27 V，堵轉(zhuǎn)電流為5 A，最大轉(zhuǎn)速為900 r/min。
控制系統(tǒng)硬件平臺采用ATMEL公司的Atmega128單片機和ALTERA公司的EPM7128系列CPLD芯片以及直流電機控制芯片HIP4080。在硬件平臺上運行電機轉(zhuǎn)動角度和速度的控制程序，實現(xiàn)高精度控制，并在PC機界面上觀察電機狀態(tài)。該系統(tǒng)具有精度高和通用性良好等特點，在性價比方面有很大優(yōu)勢，可以應(yīng)用于教學(xué)實驗。
1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要由微控制器外圍電路、旋轉(zhuǎn)編碼器信號檢測電路和電機驅(qū)動電路構(gòu)成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機的控制邏輯由Atmega128實現(xiàn)。單片機采集CPLD對旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖的計數(shù)值，得到電機轉(zhuǎn)動角度進(jìn)而計算速度，將來自PC機的目標(biāo)轉(zhuǎn)動角度和目標(biāo)速度代入控制算法中運算，根據(jù)運算結(jié)果向驅(qū)動電路發(fā)送PWM和方向信號,驅(qū)動電機向期望的方向轉(zhuǎn)動或者運行在期望的速度上。

1.2 微控制器外圍電路的硬件設(shè)計
主要由Atmega128、下載電路和串口通信電路等組成。單片機實現(xiàn)控制功能，并通過串口接收PC機的指令并將電機的轉(zhuǎn)動角度和速度發(fā)送給PC機實時顯示。
Atmega128單片機是一種高性能、低功耗的8位微處理器，指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，執(zhí)行速度快[1]，其接口豐富，性價比高。
1.3 旋轉(zhuǎn)編碼器信號檢測電路的硬件設(shè)計
該電路的功能是采集編碼器信號，計算電機的角度和速度并傳輸給單片機。該電路設(shè)計采用三個思路[2]：(1)采用分立元器件及一些門電路，但使用的元件較多，影響電路的穩(wěn)定性； (2)脈沖信號直接連接到單片機的計數(shù)器輸入端，由軟件進(jìn)行鑒向和計數(shù)，但加重了單片機負(fù)擔(dān)，還可能會出現(xiàn)漏計或誤計現(xiàn)象；(3)采用編碼器專用芯片，如奎克半導(dǎo)體的編碼器四倍頻和計數(shù)芯片，但專用芯片價格頗高，不經(jīng)濟。
因此,本文選用CPLD芯片EPM7128SLC84，用—片芯片實現(xiàn)增量式編碼器信號四倍頻和雙向計數(shù)，簡化硬件電路設(shè)計，提高系統(tǒng)的精度和可靠性。該芯片具有128個邏輯宏單元，完全滿足需要；它具有ISP在系統(tǒng)可編程功能，可以對硬件進(jìn)行重新配置，方便系統(tǒng)后期擴展。
如圖2所示,光耦將旋轉(zhuǎn)編碼器A、B兩相脈沖信號與CPLD的信號隔離，防止EPM7128和旋轉(zhuǎn)編碼器的工作電壓不匹配。EPM7128對A、B兩相脈沖信號進(jìn)行四倍頻和雙向可逆計數(shù)的硬件描述程序可參考文獻(xiàn)[2]。圖中Lock是單片機發(fā)送給EPM7128的計數(shù)值鎖存信號，Chose0和Chose1是位選信號，控制EPM7128將鎖存的計數(shù)值的高8位和低8位分時發(fā)送到數(shù)據(jù)線Data0~Data7上。若編碼器輸出脈沖數(shù)為N，則系統(tǒng)的精度可以達(dá)到π/2N弧度。

1.4 電機的驅(qū)動電路硬件設(shè)計
用單片機的PWM輸出對電機控制是實現(xiàn)電機數(shù)字控制的常用手段。目前常用的電機控制專用芯片是NS公司的LMD18200，其工作電壓55 V，連續(xù)輸出電流3 A，可接收300 kHz的PWM脈沖，但是本系統(tǒng)選用的直流力矩電機經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，LMD18200不能提供持續(xù)的5 A電流，若將LMD18200并聯(lián)來增大電流驅(qū)動能力，又有燒壞芯片的風(fēng)險，所以本文選擇由一片HIP4080、4片MOS管IRF540構(gòu)成的電機驅(qū)動電路，如圖3所示。
HIP4080是一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅(qū)動芯片，正常工作電壓12 V，可接收高達(dá)1 MHz的PWM信號[3]。該芯片可以控制H橋工作在單極性驅(qū)動方式，可以使H橋輸出電流波動比較小，功率損耗更低。H橋由4片MOS管IRF540搭成，IRF540最大耐壓100 V，最大驅(qū)動電流是28 A，勝任直流力矩電機經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。如圖3所示，HIP4080接收單片機的PWM、電機轉(zhuǎn)向DIR和制動信號DIS，控制H橋電路MOS管的導(dǎo)通時間和導(dǎo)通次序，從而控制電機兩端電壓的大小和方向，實現(xiàn)電機的調(diào)速。

圖4所示是驅(qū)動電路接入負(fù)載時，輸入PWM信號的占空比和輸出電壓的實測關(guān)系曲線?？梢钥闯鲈撾娐返妮斎胼敵鲫P(guān)系線性度良好，適用于直流力矩電機的驅(qū)動。

綜上所述，微控制器、編碼器信號檢測電路和電機驅(qū)動電路采用數(shù)字電路實現(xiàn)。
2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件主要包括控制性能驗證程序設(shè)計和PC機上界面的VC程序設(shè)計。
2.1 控制精度驗證程序
基于以上硬件平臺，采用普通算法編寫電機轉(zhuǎn)動角度和速度的控制程序，觀察控制效果，驗證控制性能。
2.1.1電機轉(zhuǎn)動角度控制程序
如圖5所示，轉(zhuǎn)動角度控制中Atmega128的串口接收PC機發(fā)來的電機目標(biāo)轉(zhuǎn)動角度。在主程序中將EPM7128發(fā)送來的電機的當(dāng)前轉(zhuǎn)動角度與目標(biāo)轉(zhuǎn)動角度比較，控制電機相應(yīng)的轉(zhuǎn)動或制動，直到電機轉(zhuǎn)到指定位置。

2.1.2電機的速度控制程序
如圖6所示,電機速度控制中，ATmega128接收PC機發(fā)來的電機目標(biāo)速度,根據(jù)速度方向驅(qū)動電機轉(zhuǎn)向，其定時器計算出實際速度后和目標(biāo)速度比較，相應(yīng)地增大或減小PWM占空比，改變速度大小，直到電機運行在期望的速度上。

程序運行后,實際測得角度控制的穩(wěn)態(tài)誤差在±0.005 7 rad，速度控制的動態(tài)誤差在±0.013 1 rad/s，具有較高的精度和穩(wěn)定性。在實際使用中，可以采用先進(jìn)算法編制控制程序，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能。
作為比較，將相同的控制算法在PC上實現(xiàn)，通過全數(shù)字直流伺服驅(qū)動器上驅(qū)動電機，測得角度控制的穩(wěn)態(tài)誤差是±0.004 rad，速度控制的動態(tài)誤差是±0.008 rad/s?？梢姳鞠到y(tǒng)的控制精度與伺服驅(qū)動器的控制精度接近，而成本低于后者，具有很大優(yōu)勢。
2.2 PC機控制界面的VC程序設(shè)計
　 PC機控制界面將目標(biāo)轉(zhuǎn)動角度和速度發(fā)送給單片機，同時接收單片機發(fā)來的實時角度和速度并以曲線形式顯示?？刂平缑婊趯υ捒虻慕Y(jié)構(gòu)，使用VC自帶的MSComm控件和單片機通信[4]。該控件重要屬性設(shè)置如下：
　 ①本文使用PC機的串口1通信，故串口編號CommPort設(shè)置為1；
　 ②設(shè)單片機發(fā)來的一個有效角度或速度數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)為n，則從輸入緩沖區(qū)一次讀取的字節(jié)數(shù)InputLen屬性設(shè)置為n；
　 ③輸入緩沖區(qū)長度InBufferSize設(shè)置為n的整數(shù)倍，防止讀取數(shù)據(jù)出錯；
　 ④產(chǎn)生接收事件的閾值RThreadshold設(shè)置為n，表示緩沖區(qū)中有一個及以上有效數(shù)據(jù)時就接收；
　 ⑤輸出緩沖區(qū)長度OutBufferSize設(shè)置為n的整數(shù)倍；
　 ⑥產(chǎn)生發(fā)送事件的閾值RThreadshold設(shè)置為n。
以上屬性設(shè)置完畢后打開串口，在事件驅(qū)動函數(shù)中接收數(shù)據(jù)，依次將其轉(zhuǎn)換為繪圖設(shè)備區(qū)域中Y軸上的像素值，同時順序連接各點繪制曲線并更新，實時表示電機轉(zhuǎn)動角度和速度的變化。如圖7所示，是電機速度控制界面的截圖，橫軸表示時間，縱軸表示轉(zhuǎn)速，曲線的跳躍是電機速度方向的改變。

本文提出一種直流電機高精度數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，設(shè)計了PC機上的控制界面。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠、性價比高，系統(tǒng)可以達(dá)到很高的控制精度，并進(jìn)行了軟件驗證，采用先進(jìn)算法后可以進(jìn)一步提高控制性能。
參考文獻(xiàn)
[1] ATMEL. ATmega128 Data Sheet.Rev.2467R-AVR-06/08.
[2] 史曉娟,李海芹.基于CPLD的四倍頻鑒相計數(shù)電路在運動控制器中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機床,2008(6):85-87.
[3] INTERSIL. HIP4080A Data Sheet. www.int-ersil.com.
[4] 張筠莉,劉書智.Visual C++實踐與提高.串口通信與工程應(yīng)用篇[M].北京:中國鐵道出版社,2006:21-45.