基于AVR的直流電機(jī)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(jī)為對(duì)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(tái)采用ATMEL公司的Atmega128單片機(jī)和ALTERA公司的EPM7128系列CPLD芯片以及直流電機(jī)控制芯片HIP4080。在硬件平臺(tái)上運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度的控制程序，實(shí)現(xiàn)高精度控制，并在PC機(jī)界面上觀察電機(jī)狀態(tài)。該系統(tǒng)具有精度高和通用性良好等特點(diǎn)，在性?xún)r(jià)比方面有很大優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。
1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
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(hào)檢測(cè)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)的控制邏輯由Atmega128實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)采集CPLD對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖的計(jì)數(shù)值，得到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)而計(jì)算速度，將來(lái)自PC機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和目標(biāo)速度代入控制算法中運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送PWM和方向信號(hào),驅(qū)動(dòng)電機(jī)向期望的方向轉(zhuǎn)動(dòng)或者運(yùn)行在期望的速度上。

1.2 微控制器外圍電路的硬件設(shè)計(jì)
主要由Atmega128、下載電路和串口通信電路等組成。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能，并通過(guò)串口接收PC機(jī)的指令并將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度發(fā)送給PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示。
Atmega128單片機(jī)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，執(zhí)行速度快[1]，其接口豐富，性?xún)r(jià)比高。
1.3 旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)檢測(cè)電路的硬件設(shè)計(jì)
該電路的功能是采集編碼器信號(hào)，計(jì)算電機(jī)的角度和速度并傳輸給單片機(jī)。該電路設(shè)計(jì)采用三個(gè)思路[2]：(1)采用分立元器件及一些門(mén)電路，但使用的元件較多，影響電路的穩(wěn)定性； (2)脈沖信號(hào)直接連接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器輸入端，由軟件進(jìn)行鑒向和計(jì)數(shù)，但加重了單片機(jī)負(fù)擔(dān)，還可能會(huì)出現(xiàn)漏計(jì)或誤計(jì)現(xiàn)象；(3)采用編碼器專(zhuān)用芯片，如奎克半導(dǎo)體的編碼器四倍頻和計(jì)數(shù)芯片，但專(zhuān)用芯片價(jià)格頗高，不經(jīng)濟(jì)。
因此,本文選用CPLD芯片EPM7128SLC84，用—片芯片實(shí)現(xiàn)增量式編碼器信號(hào)四倍頻和雙向計(jì)數(shù)，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的精度和可靠性。該芯片具有128個(gè)邏輯宏單元，完全滿(mǎn)足需要；它具有ISP在系統(tǒng)可編程功能，可以對(duì)硬件進(jìn)行重新配置，方便系統(tǒng)后期擴(kuò)展。
如圖2所示,光耦將旋轉(zhuǎn)編碼器A、B兩相脈沖信號(hào)與CPLD的信號(hào)隔離，防止EPM7128和旋轉(zhuǎn)編碼器的工作電壓不匹配。EPM7128對(duì)A、B兩相脈沖信號(hào)進(jìn)行四倍頻和雙向可逆計(jì)數(shù)的硬件描述程序可參考文獻(xiàn)[2]。圖中Lock是單片機(jī)發(fā)送給EPM7128的計(jì)數(shù)值鎖存信號(hào)，Chose0和Chose1是位選信號(hào)，控制EPM7128將鎖存的計(jì)數(shù)值的高8位和低8位分時(shí)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(jī)的驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)
用單片機(jī)的PWM輸出對(duì)電機(jī)控制是實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字控制的常用手段。目前常用的電機(jī)控制專(zhuān)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(jī)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(lái)增大電流驅(qū)動(dòng)能力，又有燒壞芯片的風(fēng)險(xiǎn)，所以本文選擇由一片HIP4080、4片MOS管IRF540構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。
HIP4080是一款專(zhuān)門(mén)用于控制H橋的高頻全橋驅(qū)動(dòng)芯片，正常工作電壓12 V，可接收高達(dá)1 MHz的PWM信號(hào)[3]。該芯片可以控制H橋工作在單極性驅(qū)動(dòng)方式，可以使H橋輸出電流波動(dòng)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(dòng)電流是28 A，勝任直流力矩電機(jī)經(jīng)常工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。如圖3所示，HIP4080接收單片機(jī)的PWM、電機(jī)轉(zhuǎn)向DIR和制動(dòng)信號(hào)DIS，控制H橋電路MOS管的導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通次序，從而控制電機(jī)兩端電壓的大小和方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。

圖4所示是驅(qū)動(dòng)電路接入負(fù)載時(shí)，輸入PWM信號(hào)的占空比和輸出電壓的實(shí)測(cè)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(jī)的驅(qū)動(dòng)。

綜上所述，微控制器、編碼器信號(hào)檢測(cè)電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。
2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件主要包括控制性能驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)上界面的VC程序設(shè)計(jì)。
2.1 控制精度驗(yàn)證程序
基于以上硬件平臺(tái)，采用普通算法編寫(xiě)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度的控制程序，觀察控制效果，驗(yàn)證控制性能。
2.1.1電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制程序
如圖5所示，轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制中Atmega128的串口接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在主程序中將EPM7128發(fā)送來(lái)的電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)角度與目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度比較，控制電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)或制動(dòng)，直到電機(jī)轉(zhuǎn)到指定位置。

2.1.2電機(jī)的速度控制程序
如圖6所示,電機(jī)速度控制中，ATmega128接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的電機(jī)目標(biāo)速度,根據(jù)速度方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向，其定時(shí)器計(jì)算出實(shí)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(jī)運(yùn)行在期望的速度上。

程序運(yùn)行后,實(shí)際測(cè)得角度控制的穩(wěn)態(tài)誤差在±0.005 7 rad，速度控制的動(dòng)態(tài)誤差在±0.013 1 rad/s，具有較高的精度和穩(wěn)定性。在實(shí)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(shí)現(xiàn)，通過(guò)全數(shù)字直流伺服驅(qū)動(dòng)器上驅(qū)動(dòng)電機(jī)，測(cè)得角度控制的穩(wěn)態(tài)誤差是±0.004 rad，速度控制的動(dòng)態(tài)誤差是±0.008 rad/s?？梢?jiàn)本系統(tǒng)的控制精度與伺服驅(qū)動(dòng)器的控制精度接近，而成本低于后者，具有很大優(yōu)勢(shì)。
2.2 PC機(jī)控制界面的VC程序設(shè)計(jì)
　 PC機(jī)控制界面將目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度發(fā)送給單片機(jī)，同時(shí)接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)角度和速度并以曲線形式顯示?？刂平缑婊趯?duì)話框的結(jié)構(gòu)，使用VC自帶的MSComm控件和單片機(jī)通信[4]。該控件重要屬性設(shè)置如下：
　 ①本文使用PC機(jī)的串口1通信，故串口編號(hào)CommPort設(shè)置為1；
　 ②設(shè)單片機(jī)發(fā)來(lái)的一個(gè)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(zhǎng)度InBufferSize設(shè)置為n的整數(shù)倍，防止讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)；
　 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(gè)及以上有效數(shù)據(jù)時(shí)就接收；
　 ⑤輸出緩沖區(qū)長(zhǎng)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(kāi)串口，在事件驅(qū)動(dòng)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(shí)順序連接各點(diǎn)繪制曲線并更新，實(shí)時(shí)表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度的變化。如圖7所示，是電機(jī)速度控制界面的截圖，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示轉(zhuǎn)速，曲線的跳躍是電機(jī)速度方向的改變。

本文提出一種直流電機(jī)高精度數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了PC機(jī)上的控制界面。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、性?xún)r(jià)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(yàn)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(jì)數(shù)電路在運(yùn)動(dòng)控制器中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2008(6):85-87.
[3] INTERSIL. HIP4080A Data Sheet. www.int-ersil.com.
[4] 張?bào)蘩?劉書(shū)智.Visual C++實(shí)踐與提高.串口通信與工程應(yīng)用篇[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006:21-45.