基于ATmega8的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文將介紹一款以ATmega8為基礎(chǔ)，采用數(shù)字PID算法的受限單極性可逆PWM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng),克服了上述難點(diǎn)。

一、引言

直流電機(jī)因具有良好的線性調(diào)速特性、效率高、控制簡單、調(diào)速性能好及體積小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用。常規(guī)電機(jī)調(diào)速控制方法中，電機(jī)工作不穩(wěn)定,損耗較大,尤其在低電壓輕負(fù)荷時情況更為嚴(yán)重，且工作頻率受電源頻率的限制,難以滿足高精度的調(diào)速要求，不利于廣泛推廣[1]。

如何才能使電路具有成本低、控制精度高、調(diào)試修改參數(shù)方便，且能方便和靈活地適用于大功率、可靠性高的直流電機(jī)控制系統(tǒng)中,是我們研究的目的。
文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中采用了先進(jìn)算法，用LTM18200和L298作電機(jī)控制電路，具有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其驅(qū)動能力較低、成本較高。

二、直流電機(jī)PWM調(diào)速原理

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：



式中：U—電樞端電壓；I—電樞電流；R—電樞電路總阻；—每極磁通量；K—電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為對勵磁磁通進(jìn)行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制方法。目前絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開關(guān)驅(qū)動方式，它是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

PWM(PulseWidthModulation)—脈沖寬度調(diào)制技術(shù)通過對一系列數(shù)字脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時速度加快,斷電時速度逐漸變慢,只要按一定規(guī)律改變通斷電時間,即可對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速數(shù)字化[4]，如圖1。

三、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本調(diào)速控制系統(tǒng)，主要由ATmega8單片機(jī)、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)速檢測電路和通信接口電路等部分組成，如圖2所示。
1.ATmega8單片機(jī)簡介[5]
ATmega8是增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的CMOS微控制器，具有高速度、低功耗、片內(nèi)資源豐富、電源抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。ATmega8具有32個通用工作寄存器及豐富的指令集，帶有硬件乘法器以及8K的FLASH和1K的SRAM，還帶有8路10位ADC以及三通道的PWM輸出，支持ISP功能，可以很方便地對器件進(jìn)行在線編程及修改。

2.ATmega8實(shí)現(xiàn)PWM控制
ATmega8的16位T/C可以實(shí)現(xiàn)精確的程序定時、波形產(chǎn)生和信號測量。ATmega8波形發(fā)生器利用雙緩沖輸出比較寄存器OCR1A/B與T/C的值做比較，產(chǎn)生PWM信號，通過輸出比較引腳OC1A/B輸出無干擾脈沖、相位正確、可變頻率的PWM信號。

PWM將占空比（電機(jī)電樞電壓接通時間與通電周期的比值）不同的脈沖變成不同的電壓來驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過改變占空比，得到不同的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動、停止、和反轉(zhuǎn)等功能。
單片機(jī)通過比較預(yù)設(shè)速度與實(shí)測速度的偏差，經(jīng)PID算法得出控制量,根據(jù)控制量改變PWM信號的輸出脈寬,經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制，然后循環(huán)進(jìn)入下一個控制周期。
3.驅(qū)動電路原理
直流電機(jī)常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場合中，就需要合用可逆PWM系統(tǒng)，可逆PWM系統(tǒng)可分為雙極性驅(qū)動可逆PWM系統(tǒng)和單極性驅(qū)動可逆PWM系統(tǒng)。雙極性可逆系統(tǒng)在低速時運(yùn)行平穩(wěn)，但電流波動大，功率損耗較大，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高；單極性驅(qū)動方式能夠避免開關(guān)管直通，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，盡管輕載時會出現(xiàn)斷流，但可以通過提高開關(guān)頻率的方法或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)來克服。

該系統(tǒng)采用受限倍頻單極性可逆PWM驅(qū)動控制，如圖3所示。它可以通過改變對開關(guān)管的控制方式，而使直流電機(jī)電樞兩端獲得比PWM控制信號頻率高1倍的電壓波，可以彌補(bǔ)受限單極驅(qū)動所產(chǎn)生的電流斷流的問題,具有驅(qū)動能力強(qiáng)、控制簡單、可靠性高且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

PWM接ATmega8的OCR1A腳PWM信號輸出，IN1、IN2接電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號；PWM、IN1和IN2具體邏輯功能見表1：

四、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制程序采用C語言模塊化結(jié)構(gòu)。主要包括主程序、PID控制程序、中斷服務(wù)程序和電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制程序等部分。
1.主程序流程圖
主程序主要完成相關(guān)中斷初始化、調(diào)用顯示、判斷中斷類型和執(zhí)行相應(yīng)中斷服務(wù)程序等功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示:
2.數(shù)字PID控制器[1]
在控制系統(tǒng)中,將輸出量與給定量之間的偏差的比例P、積分I、微分D通過線性組合構(gòu)成控制量的PID控制器獲得了廣泛的應(yīng)用,它參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活。
PID表達(dá)式：



其中：u(t)——控制量；KP——比例放大系數(shù)；TI——積分時間；TD——微分時間。
本系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子位置傳感器，利用傳感器輸出的脈沖信號來反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將傳感器輸出的信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路后送至單片機(jī)，該引腳作為外部中斷源的輸入口，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動，單片機(jī)將不斷接收到脈沖信號，當(dāng)接收到一個上升沿時將啟動定時器T0以開始計(jì)時，直至接收到下一個相鄰的上升沿為止，定時器T0的計(jì)時結(jié)果便是電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈所需的時間，據(jù)此即可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用PID算法，將實(shí)時采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
本系統(tǒng)采用位置式數(shù)字PID算法，其控制算法簡化示意圖如圖5：
采用全量算法，通過差分代微分，可將表達(dá)式化簡為：



其中：；；
u(k)——第K個采樣時刻的控制量；KP——比例放大系數(shù)；kI——積分放大系數(shù)；kD——微分放大系統(tǒng)；TS——采樣周期；u0——控制量的基值，即k=0時的控制。
PID算法流程圖如圖6所示：