基于單片機和PWM技術(shù)實現(xiàn)直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

一、前言
　　直流電動機作為主要的機電能量轉(zhuǎn)換的裝置，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著計算機電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動機的控制方法也發(fā)生了巨大的變化，模擬控制方法已基本被數(shù)字控制方法所取代。本系統(tǒng)采用ATmega8單片機為核心控制器，通過PWM波來控制H橋中MOSFET器件的導(dǎo)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^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)來控制直流電動機的轉(zhuǎn)速。
　　二、系統(tǒng)硬件設(shè)計
　?。ㄒ唬┫到y(tǒng)工作原理
　　系統(tǒng)控制器主要采用的是ATmega8單片機為控制芯片。通過霍爾傳感器檢測電流，光電編碼器對速度進行檢測。在通過單片機產(chǎn)生PWM波來控制H橋的MOSFET，對MOSFET的驅(qū)動我們采用互補式的隔離脈沖變壓器驅(qū)動。將直流電逆變?yōu)榻涣麟娫谕ㄟ^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(diào)速系統(tǒng)。
　?。ǘ┲饕布O(shè)計
　　1、雙閉環(huán)控制器電路
　　根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，如果被調(diào)量發(fā)生偏差，整個系統(tǒng)就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用比例積分調(diào)節(jié)算法，雙閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，分別為電流PI調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)算法。通過程序計算出電流環(huán)輸出電壓值，將電樞電壓值作為PWM波形占空比的設(shè)定值，AVR單片機輸出PWM波形，為了防止反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在啟動和堵轉(zhuǎn)時電樞電流過大的問題，引入了電流截止負反饋環(huán)節(jié)。為了很好的得到輸入信號，我們運用軟件程序設(shè)計增加了一個卡爾曼濾波?？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，利用前一時刻地估計值和現(xiàn)時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出現(xiàn)時刻的估計值。
　　

　　圖1 由ATmega8構(gòu)成的大功率直流電機控制器
　　2、PWM整形和MOSFET驅(qū)動電路
　　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(dāng)PWM處于由高電平時，由于74HC74的D端接的是Q非端，所以在PWM由低電平轉(zhuǎn)換為高時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與非門的輸入端，與非門的另外兩個端口相聯(lián)后在單片機產(chǎn)生的PWM信號相接，當(dāng)PWM為低電平是兩個與非門的輸出都為高電平，從而使得最后四路PWM輸出都為低電平，完成了驅(qū)動MOSFET的死區(qū)功能。當(dāng)CLICK處于上升沿的時候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500KHz的載波信號通過脈沖變壓器進行傳輸。
　　3、電機驅(qū)動和電流檢測電路
　　主要是通過MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流逆變?yōu)榻涣麟?，通過變壓器將逆變過后的交流電整流為直流電，在變壓器中我們實現(xiàn)了升壓的過程。其中最重要的是要實現(xiàn)H橋中MOSFET控制時要求對管開通和關(guān)斷的時間要一樣。這樣才能保證變壓器不處于飽和狀態(tài)。從而實現(xiàn)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實現(xiàn)對電流的檢測。
　　

　　圖2 主程序流程圖
　　4、速度檢測電路
　　將信號盤安裝在電動機的轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對著信號盤。當(dāng)信號盤轉(zhuǎn)動時，光電元件就會輸出周期性脈沖信號。信號盤旋轉(zhuǎn)360度產(chǎn)生的脈沖數(shù)，和其上面的齒數(shù)相等。因此脈沖信號的頻率大小就反映了電動機轉(zhuǎn)速的大小。
　　三、軟件設(shè)計
　　主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，首先先設(shè)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)過卡爾曼濾波器濾波后得到輸入信號的值，再將著兩個值分別和設(shè)定值相比較得到一個誤差值，將誤差送給電流轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)器輸出計算和PWM脈寬調(diào)節(jié)）。PI調(diào)節(jié)器輸出計算在轉(zhuǎn)速值和電流值更新后進行，否則輸出脈沖只根據(jù)PI運算的歷史值變化，PWM脈寬調(diào)節(jié)是脈寬從當(dāng)前值平滑變化到PI調(diào)節(jié)器計算出的新值，實現(xiàn)平滑調(diào)速。
　　四、結(jié)論
　　本系統(tǒng)通過對直流電動機數(shù)學(xué)模型分析，建立了勵磁直流電動機的電樞電壓結(jié)合勵磁電壓的電動機控制方案，并對勵磁直流電動機的控制方法進行了改進，采用了轉(zhuǎn)速環(huán)-電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過PI算法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。此設(shè)計采用的是AVR單片機為控制器，輸入到AVR轉(zhuǎn)速信號為數(shù)字信號，電機電流信號通過AVR內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這樣為在軟件上實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制算法提供了保證。系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件設(shè)計調(diào)試證明運行可靠、穩(wěn)定，達到了預(yù)期的目標(biāo)。