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。在硬件平臺上運(yùn)行電機(jī)轉(zhuǎn)動角度和速度的控制程序，實現(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，在性價比方面有很大優(yōu)勢，可以應(yīng)用于教學(xué)實驗。
1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
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)編碼器信號檢測電路和電機(jī)驅(qū)動電路構(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實現(xiàn)。單片機(jī)采集CPLD對旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖的計數(shù)值，得到電機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)而計算速度，將來自PC機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)動角度和目標(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)動電路發(fā)送PWM和方向信號,驅(qū)動電機(jī)向期望的方向轉(zhuǎn)動或者運(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
主要由Atmega128、下載電路和串口通信電路等組成。單片機(jī)實現(xiàn)控制功能，并通過串口接收PC機(jī)的指令并將電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度和速度發(fā)送給PC機(jī)實時顯示。
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)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，執(zhí)行速度快[1]，其接口豐富，性價比高。
1.3 旋轉(zhuǎn)編碼器信號檢測電路的硬件設(shè)計
該電路的功能是采集編碼器信號，計算電機(jī)的角度和速度并傳輸給單片機(jī)。該電路設(shè)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(wěn)定性； (2)脈沖信號直接連接到單片機(jī)的計數(shù)器輸入端，由軟件進(jìn)行鑒向和計數(shù)，但加重了單片機(jī)負(fù)擔(dān)，還可能會出現(xiàn)漏計或誤計現(xiàn)象；(3)采用編碼器專用芯片，如奎克半導(dǎo)體的編碼器四倍頻和計數(shù)芯片，但專用芯片價格頗高，不經(jīng)濟(jì)。
因此,本文選用CPLD芯片EPM7128SLC84，用—片芯片實現(xiàn)增量式編碼器信號四倍頻和雙向計數(shù)，簡化硬件電路設(shè)計，提高系統(tǒng)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(tǒng)可編程功能，可以對硬件進(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兩相脈沖信號與CPLD的信號隔離，防止EPM7128和旋轉(zhuǎn)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(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的計數(shù)值鎖存信號，Chose0和Chose1是位選信號，控制EPM7128將鎖存的計數(shù)值的高8位和低8位分時發(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)動電路硬件設(shè)計
用單片機(jī)的PWM輸出對電機(jī)控制是實現(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)來增大電流驅(qū)動能力，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(gòu)成的電機(jī)驅(qū)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(qū)動芯片，正常工作電壓12 V，可接收高達(dá)1 MHz的PWM信號[3]。該芯片可以控制H橋工作在單極性驅(qū)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(qū)動電流是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和制動信號DIS，控制H橋電路MOS管的導(dǎo)通時間和導(dǎo)通次序，從而控制電機(jī)兩端電壓的大小和方向，實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。