基于AVR的直流電機高精度數字控制系統

薛沛祥，袁少強

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院,北京100191）

本控制系統以永磁式直流力矩電機為對象，其額定工作電壓為27 V，堵轉電流為5 A，最大轉速為900 r/min。

控制系統硬件平臺采用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動角度和速度的控制程序，實現高精度控制，并在PC機界面上觀察電機狀態。該系統具有精度高和通用性良好等特點，在性價比方面有很大優勢，可以應用于教學實驗。

1 控制系統的硬件設計

1.1 系統硬件結構

圖1 系統硬件結構示意圖

本系統主要由微控制器外圍電路、旋轉編碼器信號檢測電路和電機驅動電路構成。系統的硬件結構如圖1所示。電機的控制邏輯由Atmega128實現。單片機采集CPLD對旋轉編碼器脈沖的計數值，得到電機轉動角度進而計算速度，將來自PC機的目標轉動角度和目標速度代入控制算法中運算，根據運算結果向驅動電路發送PWM和方向信號,驅動電機向期望的方向轉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計

主要由Atmega128、下載電路和串口通信電路等組成。單片機實現控制功能，并通過串口接收PC機的指令并將電機的轉動角度和速度發送給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，指令大多數可以在一個時鐘周期內完成，執行速度快[1]，其接口豐富，性價比高。

1.3 旋轉編碼器信號檢測電路的硬件設計

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，影響電路的穩定性；(2)脈沖信號直接連接到單片機的計數器輸入端，由軟件進行鑒向和計數，但加重了單片機負擔，還可能會出現漏計或誤計現象；(3)采用編碼器專用芯片，如奎克半導體的編碼器四倍頻和計數芯片，但專用芯片價格頗高，不經濟。

因此,本文選用CPLD芯片 EPM7128SLC84，用—片芯片實現增量式編碼器信號四倍頻和雙向計數，簡化硬件電路設計，提高系統的精度和可靠性。該芯片具有128個邏輯宏單元，完全滿足需要；它具有ISP在系統可編程功能，可以對硬件進行重新配置，方便系統后期擴展。

如圖2所示,光耦將旋轉編碼器 A、B兩相脈沖信號與CPLD的信號隔離，防止EPM7128和旋轉編碼器的工作電壓不匹配。EPM7128對A、B兩相脈沖信號進行四倍頻和雙向可逆計數的硬件描述程序可參考文獻 [2]。圖中Lock是單片機發送給EPM7128的計數值鎖存信號，Chose0和Chose1是位選信號，控制EPM7128將鎖存的計數值的高8位和低8位分時發送到數據線Data0～Data7上。若編碼器輸出脈沖數為N，則系統的精度可以達到π/2N弧度。

1.4 電機的驅動電路硬件設計

用單片機的PWM輸出對電機控制是實現電機數字控制的常用手段。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，連續輸出電流3 A，可接收300 kHz的PWM脈沖，但是本系統選用的直流力矩電機經常工作在堵轉狀態，LMD18200不能提供持續的5 A電流，若將LMD18200并聯來增大電流驅動能力，又有燒壞芯片的風險，所以本文選擇由一片HIP4080、4片MOS管IRF540構成的電機驅動電路，如圖3所示。

HIP4080是一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅動芯片，正常工作電壓 12 V，可接收高達1 MHz的PWM信號[3]。該芯片可以控制H橋工作在單極性驅動方式，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，最大驅動電流是28 A，勝任直流力矩電機經常工作在堵轉狀態。如圖3所示，HIP4080接收單片機的PWM、電機轉向DIR和制動信號DIS，控制H橋電路MOS管的導通時間和導通次序，從而控制電機兩端電壓的大小和方向，實現電機的調速。

圖4所示是驅動電路接入負載時，輸入PWM信號的占空比和輸出電壓的實測關系曲線。可以看出該電路的輸入輸出關系線性度良好，適用于直流力矩電機的驅動。

綜上所述，微控制器、編碼器信號檢測電路和電機驅動電路采用數字電路實現。

2 控制系統的軟件設計

本系統的軟件主要包括控制性能驗證程序設計和PC機上界面的VC程序設計。

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 電機轉動角度控制程序

如圖5所示，轉動角度控制中Atmega128的串口接收PC機發來的電機目標轉動角度。在主程序中將EPM7128發送來的電機的當前轉動角度與目標轉動角度比較，控制電機相應的轉動或制動，直到電機轉到指定位置。

圖5 轉動角度的控制程序流程圖

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機發來的電機目標速度,根據速度方向驅動電機轉向，其定時器計算出實際速度后和目標速度比較，相應地增大或減小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態誤差在±0.005 7 rad，速度控制的動態誤差在±0.013 1 rad/s，具有較高的精度和穩定性。在實際使用中，可以采用先進算法編制控制程序，進一步提高系統的控制性能。

作為比較，將相同的控制算法在PC上實現，通過全數字直流伺服驅動器上驅動電機，測得角度控制的穩態誤差是±0.004 rad，速度控制的動態誤差是±0.008 rad/s。可見本系統的控制精度與伺服驅動器的控制精度接近，而成本低于后者，具有很大優勢。

2.2 PC機控制界面的VC程序設計

PC機控制界面將目標轉動角度和速度發送給單片機，同時接收單片機發來的實時角度和速度并以曲線形式顯示。控制界面基于對話框的結構，使用VC自帶的MSComm控件和單片機通信[4]。該控件重要屬性設置如下：

①本文使用PC機的串口1通信，故串口編號CommPort設置為 1；

圖6 速度的控制程序流程圖

②設單片機發來的一個有效角度或速度數據的字節數為n，則從輸入緩沖區一次讀取的字節數InputLen屬性設置為n；

③輸入緩沖區長度InBufferSize設置為n的整數倍，防止讀取數據出錯；

④產生接收事件的閾值RThreadshold設置為n，表示緩沖區中有一個及以上有效數據時就接收；

⑤輸出緩沖區長度OutBufferSize設置為n的整數倍；

⑥產生發送事件的閾值RThreadshold設置為n。

以上屬性設置完畢后打開串口，在事件驅動函數中接收數據，依次將其轉換為繪圖設備區域中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字控制系統的實現方法，設計了PC機上的控制界面。該系統硬件結構簡單可靠、性價比高，系統可以達到很高的控制精度，并進行了軟件驗證，采用先進算法后可以進一步提高控制性能。

[1]ATMEL.ATmega128 Data Sheet.Rev.2467R-AVR-06/08.

[2]史曉娟,李海芹.基于CPLD的四倍頻鑒相計數電路在運動控制器中的應用[J].制造技術與機床,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.串口通信與工程應用篇[M].北京:中國鐵道出版社,2006:21-45.