基于AVR的直流電機高精度數(shù)字控制系統(tǒng)
摘 要:提出了一種基于微控制器Atmega128、CPLD技術和電機驅動芯片HIP4080的直流電機數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)實現(xiàn)對電機角度和速度的高精度控制,并可在PC機界面上觀察電機狀態(tài)。
關鍵詞: Atmega128; CPLD; 直流電機; VC界面
本控制系統(tǒng)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(tǒng)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角度和速度的控制程序,實現(xiàn)高精度控制,并在PC機界面上觀察電機狀態(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,可以應用于教學實驗。
1 控制系統(tǒng)的硬件設計
1.1 系統(tǒng)硬件結構
本系統(tǒng)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電路構成。系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。電機的控制邏輯由Atmega128實現(xiàn)。單片機采集CPLD對旋轉編碼器脈沖的計數(shù)值,得到電機轉動角度進而計算速度,將來自PC機的目標轉動角度和目標速度代入控制算法中運算,根據(jù)運算結果向驅動電路發(fā)送PWM和方向信號,驅動電機向期望的方向轉動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。單片機實現(xiàn)控制功能,并通過串口接收PC機的指令并將電機的轉動角度和速度發(fā)送給PC機實時顯示。
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(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的計數(shù)器輸入端,由軟件進行鑒向和計數(shù),但加重了單片機負擔,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。
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,可以對硬件進行重新配置,方便系統(tǒng)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兩相脈沖信號進行四倍頻和雙向可逆計數(shù)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(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)的精度可以達到π/2N弧度。
1.4 電機的驅動電路硬件設計
用單片機的PWM輸出對電機控制是實現(xiàn)電機數(shù)字控制的常用手段。目前常用的電機控制專用芯片是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經(jīng)常工作在堵轉狀態(tài),LMD18200不能提供持續(xù)的5 A電流,若將LMD18200并聯(lián)來增大電流驅動能力,又有燒壞芯片的風險,所以本文選擇由一片HIP4080、4片MOS管IRF540構成的電機驅動電路,如圖3所示。
HIP4080是一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅動芯片,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,最大驅動電流是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和制動信號DIS,控制H橋電路MOS管的導通時間和導通次序,從而控制電機兩端電壓的大小和方向,實現(xiàn)電機的調(diào)速。
圖4所示是驅動電路接入負載時,輸入PWM信號的占空比和輸出電壓的實測關系曲線。可以看出該電路的輸入輸出關系線性度良好,適用于直流力矩電機的驅動。
綜上所述,微控制器、編碼器信號檢測電路和電機驅動電路采用數(shù)字電路實現(xiàn)。
2 控制系統(tǒng)的軟件設計
本系統(tǒng)的軟件主要包括控制性能驗證程序設計和PC機上界面的VC程序設計。
2.1 控制精度驗證程序
基于以上硬件平臺,采用普通算法編寫電機轉動角度和速度的控制程序,觀察控制效果,驗證控制性能。
2.1.1電機轉動角度控制程序
如圖5所示,轉動角度控制中Atmega128的串口接收PC機發(fā)來的電機目標轉動角度。在主程序中將EPM7128發(fā)送來的電機的當前轉動角度與目標轉動角度比較,控制電機相應的轉動或制動,直到電機轉到指定位置。
2.1.2電機的速度控制程序
如圖6所示,電機速度控制中,ATmega128接收PC機發(fā)來的電機目標速度,根據(jù)速度方向驅動電機轉向,其定時器計算出實際速度后和目標速度比較,相應地增大或減小PWM占空比,改變速度大小,直到電機運行在期望的速度上。
程序運行后,實際測得角度控制的穩(wěn)態(tài)誤差在±0.005 7 rad,速度控制的動態(tài)誤差在±0.013 1 rad/s,具有較高的精度和穩(wěn)定性。在實際使用中,可以采用先進算法編制控制程序,進一步提高系統(tǒng)的控制性能。
作為比較,將相同的控制算法在PC上實現(xiàn),通過全數(shù)字直流伺服驅動器上驅動電機,測得角度控制的穩(wěn)態(tài)誤差是±0.004 rad,速度控制的動態(tài)誤差是±0.008 rad/s??梢姳鞠到y(tǒng)的控制精度與伺服驅動器的控制精度接近,而成本低于后者,具有很大優(yōu)勢。
2.2 PC機控制界面的VC程序設計
PC機控制界面將目標轉動角度和速度發(fā)送給單片機,同時接收單片機發(fā)來的實時角度和速度并以曲線形式顯示??刂平缑婊趯υ捒虻慕Y構,使用VC自帶的MSComm控件和單片機通信[4]。該控件重要屬性設置如下:
①本文使用PC機的串口1通信,故串口編號CommPort設置為1;
②設單片機發(fā)來的一個有效角度或速度數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)為n,則從輸入緩沖區(qū)一次讀取的字節(jié)數(shù)InputLen屬性設置為n;
③輸入緩沖區(qū)長度InBufferSize設置為n的整數(shù)倍,防止讀取數(shù)據(jù)出錯;
④產(chǎn)生接收事件的閾值RThreadshold設置為n,表示緩沖區(qū)中有一個及以上有效數(shù)據(jù)時就接收;
⑤輸出緩沖區(qū)長度OutBufferSize設置為n的整數(shù)倍;
⑥產(chǎn)生發(fā)送事件的閾值RThreadshold設置為n。
以上屬性設置完畢后打開串口,在事件驅動函數(shù)中接收數(shù)據(jù),依次將其轉換為繪圖設備區(qū)域中Y軸上的像素值,同時順序連接各點繪制曲線并更新,實時表示電機轉動角度和速度的變化。如圖7所示,是電機速度控制界面的截圖,橫軸表示時間,縱軸表示轉速,曲線的跳躍是電機速度方向的改變。
本文提出一種直流電機高精度數(shù)字控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法,設計了PC機上的控制界面。該系統(tǒng)硬件結構簡單可靠、性價比高,系統(tǒng)可以達到很高的控制精度,并進行了軟件驗證,采用先進算法后可以進一步提高控制性能。
參考文獻
[1] ATMEL. ATmega128 Data Sheet.Rev.2467R-AVR-06/08.
[2] 史曉娟,李海芹.基于CPLD的四倍頻鑒相計數(shù)電路在運動控制器中的應用[J].制造技術與機床,2008(6):85-87.
[3] INTERSIL. HIP4080A Data Sheet. .
[4] 張筠莉,劉書智.Visual C++實踐與提高.串口通信與工程應用篇[M].北京:中國鐵道出版社,2006:21-45.