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(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)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(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，它是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

PWM (Pulse Width Modulation)—脈沖寬度調(diào)制技術(shù)通過(guò)對(duì)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(shí)速度加快, 斷電時(shí)速度逐漸變慢,只要按一定規(guī)律改變通斷電時(shí)間, 即可對(duì)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(dòng)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(jiǎn)介[5]
ATmega8是增強(qiáng)的AVR RISC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(gè)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(duì)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(shí)、波形產(chǎn)生和信號(hào)測(cè)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(hào)，通過(guò)輸出比較引腳OC1A/B輸出無(wú)干擾脈沖、相位正確、可變頻率的PWM信號(hào)。

PWM將占空比（電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值）不同的脈沖變成不同的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變占空比，得到不同的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、停止、和反轉(zhuǎn)等功能。
單片機(jī)通過(guò)比較預(yù)設(shè)速度與實(shí)測(cè)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(hào)的輸出脈寬,經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，然后循環(huán)進(jìn)入下一個(gè)控制周期。
3.驅(qū)動(dòng)電路原理
直流電機(jī)常要求工作在正反轉(zhuǎn)的場(chǎng)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(dòng)可逆PWM系統(tǒng)和單極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)。雙極性可逆系統(tǒng)在低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，但電流波動(dòng)大，功率損耗較大，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高；單極性驅(qū)動(dòng)方式能夠避免開(kāi)關(guān)管直通，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，盡管輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷流，但可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率的方法或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)來(lái)克服。

該系統(tǒng)采用受限倍頻單極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)控制，如圖3所示。它可以通過(guò)改變對(duì)開(kāi)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(hào)頻率高1倍的電壓波，可以彌補(bǔ)受限單極驅(qū)動(dòng)所產(chǎn)生的電流斷流的問(wèn)題,具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、可靠性高且成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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

四、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制程序采用C語(yǔ)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(guò)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(shí)間；TD——微分時(shí)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(hào)來(lái)反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。將傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(dòng)，單片機(jī)將不斷接收到脈沖信號(hào)，當(dāng)接收到一個(gè)上升沿時(shí)將啟動(dòng)定時(shí)器T0以開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至接收到下一個(gè)相鄰的上升沿為止，定時(shí)器T0的計(jì)時(shí)結(jié)果便是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的時(shí)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(shí)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(jiǎn)化示意圖如圖5：
采用全量算法，通過(guò)差分代微分，可將表達(dá)式化簡(jiǎn)為：



其中： ； ；
u(k)——第K個(gè)采樣時(shí)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(shí)的控制。
PID算法流程圖如圖6所示：
3、控制程序
以下是ATmega8單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的部分程序：
PWM控制器的初始化：
void timer1_init(void)
{ OCR1A  = 0; //初始化為0，電機(jī)停止
  OCR1B  = 0; //初始化為0，電機(jī)停止
TCCR1A = (1<TCCR1B = (1<　　TCNT1 = 1;
　　CLR_IN1;
　　SET_IN2;
　　CLR_IN3;
　　SET_IN4;
}
定時(shí)器0中斷服務(wù)函數(shù)，用于控制PWM1A的時(shí)間：
SIGNAL(SIG_OVERFLOW0)
{ if(Timer0_Tick < PWM1A_counter)
　　{ Timer0_Tick++;}
　　else{printf("ACK:");
　　SET_IN3;
SET_IN4;
　　OCR1A = 0;
　　TIMSK &= ~_BV(TOIE0);
　　}
}
電機(jī)正轉(zhuǎn)，speed為速度（0-255可調(diào)），choose為電機(jī)通道選擇（R為右、L為左）：
void for_ward(uchar speed,char choose)
{ if(ch =='R')
  { OCR1B = speed; // PWM1B_EN;
　　SET_IN1;
　　CLR_IN2;     }
　　Else
　　{ OCR1A = speed;  // PWM1A_EN;
　　SET_IN3;
　　CLR_IN4;     }
}

五、結(jié)語(yǔ)

利用ATmega8單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 信號(hào)，加入數(shù)字PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，提高了系統(tǒng)的控制精度,保證了電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性；電機(jī)的啟動(dòng)、停止、左右轉(zhuǎn)和速度都由程序定義,調(diào)試時(shí)只需修改PWM信號(hào)占空比即可實(shí)現(xiàn)速度控制，改變輸出口電平即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，無(wú)須改變系統(tǒng)硬件電路,即可實(shí)現(xiàn)各種控制，能有效縮短開(kāi)發(fā)周期,提高效率；結(jié)合了受限倍頻單極性可逆PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價(jià)比。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電機(jī)控制方便，有利于廣泛推廣。