基于A(yíng)Tmega8的大功率直流電機控制系統設計與實(shí)現

　　一、前言

　　直流電動(dòng)機作為主要的機電能量轉換的裝置，廣泛應用于各行各業(yè)。隨著(zhù)計算機電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)機的控制方法也發(fā)生了巨大的變化，模擬控制方法已基本被數字控制方法所取代。本系統采用ATmega8單片機為核心控制器，通過(guò)PWM波來(lái)控制H橋中MOSFET器件的導通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期，將26V直流電變?yōu)榻涣麟娫谠谕ㄟ^(guò)變壓器將升壓到180V在整流獲得的，其中還將用PWM控制技術(shù)來(lái)控制直流電動(dòng)機的轉速。

　　二、系統硬件設計

　　(一)系統工作原理

　　系統控制器主要采用的是ATmega8單片機為控制芯片。通過(guò)霍爾傳感器檢測電流，光電編碼器對速度進(jìn)行檢測。在通過(guò)單片機產(chǎn)生PWM波來(lái)控制H橋的MOSFET，對MOSFET的驅動(dòng)我們采用互補式的隔離脈沖變壓器驅動(dòng)。將直流電逆變?yōu)榻涣麟娫谕ㄟ^(guò)變壓器將26V的直流升壓到180V的電壓。對電機的控制我們采用的是雙閉環(huán)調速系統。

　　(二)主要硬件設計

　　1、雙閉環(huán)控制器電路

　　根據自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統是按被調量的偏差進(jìn)行控制的系統，如果被調量發(fā)生偏差，整個(gè)系統就會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。在本系統的設計中，采用比例積分調節算法，雙閉環(huán)負反饋系統，分別為電流PI調節和轉速PI調節算法。通過(guò)程序計算出電流環(huán)輸出電壓值，將電樞電壓值作為PWM波形占空比的設定值，AVR單片機輸出PWM波形，為了防止反饋控制的閉環(huán)調速系統在啟動(dòng)和堵轉時(shí)電樞電流過(guò)大的問(wèn)題，引入了電流截止負反饋環(huán)節。為了很好的得到輸入信號，我們運用軟件程序設計增加了一個(gè)卡爾曼濾波?？柭鼮V波是以最小均方誤差為估計的最佳準則，來(lái)尋求一套遞推估計的算法，其基本思想是：采用信號與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻地估計值和現時(shí)刻的觀(guān)測值來(lái)更新對狀態(tài)變量的估計，求出現時(shí)刻的估計值。

　　圖1 由ATmega8構成的大功率直流電機控制器

　　2、PWM整形和MOSFET驅動(dòng)電路

　　利用74HC74的特性可以得到U1002的SD和RD都接高電平，讓PWM信號接CLICK端。當PWM處于由高電平時(shí)，由于74HC74的D端接的是Q非端，所以在PWM由低電平轉換為高時(shí)Q和Q非的輸出波形就交替變換，從而將一路的PWM分頻為兩路的PWM。這兩路方波信號分別接到兩個(gè)與非門(mén)的輸入端，與非門(mén)的另外兩個(gè)端口相聯(lián)后在單片機產(chǎn)生的PWM信號相接，當PWM為低電平是兩個(gè)與非門(mén)的輸出都為高電平，從而使得最后四路PWM輸出都為低電平，完成了驅動(dòng)MOSFET的死區功能。當CLICK處于上升沿的時(shí)候Q和Q非端的輸出端也交替的輸出高低電平。從而將較低頻率的PWM信號通過(guò)500KHz的載波信號通過(guò)脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。

　　3、電機驅動(dòng)和電流檢測電路

　　主要是通過(guò)MOSFET的導通和關(guān)斷將直流逆變?yōu)榻涣麟?，通過(guò)變壓器將逆變過(guò)后的交流電整流為直流電，在變壓器中我們實(shí)現了升壓的過(guò)程。其中最重要的是要實(shí)現H橋中MOSFET控制時(shí)要求對管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間要一樣。這樣才能保證變壓器不處于飽和狀態(tài)。從而實(shí)現26V直流電升壓到180V的功能。為了便于我們對電機的控制，我們在這里加上了霍爾傳感器來(lái)實(shí)現對電流的檢測。

　　圖2 主程序流程圖

　　4、速度檢測電路

　　將信號盤(pán)安裝在電動(dòng)機的轉軸上，光電轉速傳感器正對著(zhù)信號盤(pán)。當信號盤(pán)轉動(dòng)時(shí)，光電元件就會(huì )輸出周期性脈沖信號。信號盤(pán)旋轉360度產(chǎn)生的脈沖數，和其上面的齒數相等。因此脈沖信號的頻率大小就反映了電動(dòng)機轉速的大小。

　　三、軟件設計

　　主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，首先先設定好速度初始值和電流初始值，然后將檢測的輸入信號經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波器濾波后得到輸入信號的值，再將著(zhù)兩個(gè)值分別和設定值相比較得到一個(gè)誤差值，將誤差送給電流轉速閉環(huán)PI調節(PI調節器輸出計算和PWM脈寬調節)。PI調節器輸出計算在轉速值和電流值更新后進(jìn)行，否則輸出脈沖只根據PI運算的歷史值變化，PWM脈寬調節是脈寬從當前值平滑變化到PI調節器計算出的新值，實(shí)現平滑調速。

　　四、結論

　　本系統通過(guò)對直流電動(dòng)機數學(xué)模型分析，建立了勵磁直流電動(dòng)機的電樞電壓結合勵磁電壓的電動(dòng)機控制方案，并對勵磁直流電動(dòng)機的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用了轉速環(huán)-電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制系統，通過(guò)PI算法調節電動(dòng)機的轉速。此設計采用的是AVR單片機為控制器，輸入到AVR轉速信號為數字信號，電機電流信號通過(guò)AVR內的模數轉換器轉換為數字信號，這樣為在軟件上實(shí)現閉環(huán)反饋控制算法提供了保證。系統經(jīng)過(guò)軟硬件設計調試證明運行可靠、穩定，達到了預期的目標。