直流電機高精度數字控制系統

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(dòng)角度和速度的控制程序，實(shí)現高精度控制，并在PC機界面上觀(guān)察電機狀態(tài)。該系統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，可以應用于教學(xué)實(shí)驗。
1 控制系統的硬件設計
1.1 系統硬件結構
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(dòng)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(shí)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(dòng)角度進(jìn)而計算速度，將來(lái)自PC機的目標轉動(dòng)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(dòng)電路發(fā)送PWM和方向信號,驅動(dòng)電機向期望的方向轉動(dòng)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(shí)現控制功能，并通過(guò)串口接收PC機的指令并將電機的轉動(dòng)角度和速度發(fā)送給PC機實(shí)時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期內完成，執行速度快[1]，其接口豐富，性?xún)r(jià)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(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(jìn)行鑒向和計數，但加重了單片機負擔，還可能會(huì )出現漏計或誤計現象；(3)采用編碼器專(zhuān)用芯片，如奎克半導體的編碼器四倍頻和計數芯片，但專(zhuān)用芯片價(jià)格頗高，不經(jīng)濟。
因此,本文選用CPLD芯片EPM7128SLC84，用—片芯片實(shí)現增量式編碼器信號四倍頻和雙向計數，簡(jiǎn)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(gè)邏輯宏單元，完全滿(mǎn)足需要；它具有ISP在系統可編程功能，可以對硬件進(jìn)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(jìn)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(fā)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(shí)發(fā)送到數據線(xiàn)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(dòng)電路硬件設計
用單片機的PWM輸出對電機控制是實(shí)現電機數字控制的常用手段。目前常用的電機控制專(zhuān)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(jīng)常工作在堵轉狀態(tài)，LMD18200不能提供持續的5 A電流，若將LMD18200并聯(lián)來(lái)增大電流驅動(dòng)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構成的電機驅動(dòng)電路，如圖3所示。
HIP4080是一款專(zhuān)門(mén)用于控制H橋的高頻全橋驅動(dòng)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(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，最大驅動(dòng)電流是28 A，勝任直流力矩電機經(jīng)常工作在堵轉狀態(tài)。如圖3所示，HIP4080接收單片機的PWM、電機轉向DIR和制動(dòng)信號DIS，控制H橋電路MOS管的導通時(shí)間和導通次序，從而控制電機兩端電壓的大小和方向，實(shí)現電機的調速。