直流電機高精度數字控制系統

本控制系統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，實現高精度控制，并在PC機界面上觀察電機狀態。該系統具有精度高和通用性良好等特點，在性價比方面有很大優勢，可以應用于教學實驗。
1 控制系統的硬件設計
1.1 系統硬件結構
本系統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。系統的硬件結構如圖1所示。電機的控制邏輯由Atmega128實現。單片機采集CPLD對旋轉編碼器脈沖的計數值，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，根據運算結果向驅動電路發送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，指令大多數可以在一個時鐘周期內完成，執行速度快[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，影響電路的穩定性； (2)脈沖信號直接連接到單片機的計數器輸入端，由軟件進行鑒向和計數，但加重了單片機負擔，還可能會出現漏計或誤計現象；(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芯片，但專用芯片價格頗高，不經濟。
因此,本文選用CPLD芯片EPM7128SLC84，用—片芯片實現增量式編碼器信號四倍頻和雙向計數，簡化硬件電路設計，提高系統的精度和可靠性。該芯片具有128個邏輯宏單元，完全滿足需要；它具有ISP在系統可編程功能，可以對硬件進行重新配置，方便系統后期擴展。
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的硬件描述程序可參考文獻[2]。圖中Lock是單片機發送給EPM7128的計數值鎖存信號，Chose0和Chose1是位選信號，控制EPM7128將鎖存的計數值的高8位和低8位分時發送到數據線Data0~Data7上。若編碼器輸出脈沖數為N，則系統的精度可以達到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電機數字控制的常用手段。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，連續輸出電流3 A，可接收300 kHz的PWM脈沖，但是本系統選用的直流力矩電機經常工作在堵轉狀態，LMD18200不能提供持續的5 A電流，若將LMD18200并聯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常工作在堵轉狀態。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，實現電機的調速。