采用Atmega128单片机和电机控制芯片实现直流电机高精度控制

本控制系统以永磁式直流力矩电机为对象，其额定工作电压为27 V，堵转电流为5 A，最大转速为900 r/min。

控制系统硬件平台采用ATMEL公司的Atmega128单片机和ALTERA公司的EPM7128系列CPLD芯片以及直流电机控制芯片HIP4080。在硬件平台上运行电机转动角度和速度的控制程序，实现高精度控制，并在PC机界面上观察电机状态。该系统具有精度高和通用性良好等特点，在性价比方面有很大优势，可以应用于教学实验。

1 控制系统的硬件设计

1.1 系统硬件结构

本系统主要由微控制器外围电路、旋转编码器信号检测电路和电机驱动电路构成。系统的硬件结构如图1所示。电机的控制逻辑由Atmega128实现。单片机采集CPLD对旋转编码器脉冲的计数值，得到电机转动角度进而计算速度，将来自PC机的目标转动角度和目标速度代入控制算法中运算，根据运算结果向驱动电路发送PWM和方向信号，驱动电机向期望的方向转动或者运行在期望的速度上。

1.2 微控制器外围电路的硬件设计

主要由Atmega128、下载电路和串口通信电路等组成。单片机实现控制功能，并通过串口接收PC机的指令并将电机的转动角度和速度发送给PC机实时显示。

Atmega128单片机是一种高性能、低功耗的8位微处理器，指令大多数可以在一个时钟周期内完成，执行速度快，其接口丰富，性价比高。

1.3 旋转编码器信号检测电路的硬件设计

该电路的功能是采集编码器信号，计算电机的角度和速度并传输给单片机。该电路设计采用三个思路：（1）采用分立元器件及一些门电路，但使用的元件较多，影响电路的稳定性； （2）脉冲信号直接连接到单片机的计数器输入端，由软件进行鉴向和计数，但加重了单片机负担，还可能会出现漏计或误计现象；（3）采用编码器专用芯片，如奎克半导体的编码器四倍频和计数芯片，但专用芯片价格颇高，不经济。

因此，本文选用CPLD芯片EPM7128SLC84，用—片芯片实现增量式编码器信号四倍频和双向计数，简化硬件电路设计，提高系统的精度和可靠性。该芯片具有128个逻辑宏单元，完全满足需要；它具有ISP在系统可编程功能，可以对硬件进行重新配置，方便系统后期扩展。

如图2所示，光耦将旋转编码器A、B两相脉冲信号与CPLD的信号隔离，防止EPM7128和旋转编码器的工作电压不匹配。EPM7128对A、B两相脉冲信号进行四倍频和双向可逆计数的硬件描述程序。图中Lock是单片机发送给EPM7128的计数值锁存信号，Chose0和Chose1是位选信号，控制EPM7128将锁存的计数值的高8位和低8位分时发送到数据线Data0~Data7上。若编码器输出脉冲数为N，则系统的精度可以达到π/2N弧度。

1.4 电机的驱动电路硬件设计

用单片机的PWM输出对电机控制是实现电机数字控制的常用手段。目前常用的电机控制专用芯片是NS公司的LMD18200，其工作电压55 V，连续输出电流3 A，可接收300 kHz的PWM脉冲，但是本系统选用的直流力矩电机经常工作在堵转状态，LMD18200不能提供持续的5 A电流，若将LMD18200并联来增大电流驱动能力，又有烧坏芯片的风险，所以本文选择由一片HIP4080、4片MOS管IRF540构成的电机驱动电路，如图3所示。

HIP4080是一款专门用于控制H桥的高频全桥驱动芯片，正常工作电压12 V，可接收高达1 MHz的PWM信号［3］。该芯片可以控制H桥工作在单极性驱动方式，可以使H桥输出电流波动比较小，功率损耗更低。H桥由4片MOS管IRF540搭成，IRF540最大耐压100 V，最大驱动电流是28 A，胜任直流力矩电机经常工作在堵转状态。如图3所示，HIP4080接收单片机的PWM、电机转向DIR和制动信号DIS，控制H桥电路MOS管的导通时间和导通次序，从而控制电机两端电压的大小和方向，实现电机的调速。

图4所示是驱动电路接入负载时，输入PWM信号的占空比和输出电压的实测关系曲线。可以看出该电路的输入输出关系线性度良好，适用于直流力矩电机的驱动。

综上所述，微控制器、编码器信号检测电路和电机驱动电路采用数字电路实现。

2 控制系统的软件设计

本系统的软件主要包括控制性能验证程序设计和PC机上界面的VC程序设计。

2.1 控制精度验证程序

基于以上硬件平台，采用普通算法编写电机转动角度和速度的控制程序，观察控制效果，验证控制性能。

2.1.1电机转动角度控制程序

如图5所示，转动角度控制中Atmega128的串口接收PC机发来的电机目标转动角度。在主程序中将EPM7128发送来的电机的当前转动角度与目标转动角度比较，控制电机相应的转动或制动，直到电机转到指定位置。

2.1.2电机的速度控制程序

如图6所示，电机速度控制中，ATmega128接收PC机发来的电机目标速度，根据速度方向驱动电机转向，其定时器计算出实际速度后和目标速度比较，相应地增大或减小PWM占空比，改变速度大小，直到电机运行在期望的速度上。

程序运行后，实际测得角度控制的稳态误差在±0.005 7 rad，速度控制的动态误差在±0.013 1 rad/s，具有较高的精度和稳定性。在实际使用中，可以采用先进算法编制控制程序，进一步提高系统的控制性能。

作为比较，将相同的控制算法在PC上实现，通过全数字直流伺服驱动器上驱动电机，测得角度控制的稳态误差是±0.004 rad，速度控制的动态误差是±0.008 rad/s。可见本系统的控制精度与伺服驱动器的控制精度接近，而成本低于后者，具有很大优势。

2.2 PC机控制界面的VC程序设计

PC机控制界面将目标转动角度和速度发送给单片机，同时接收单片机发来的实时角度和速度并以曲线形式显示。控制界面基于对话框的结构，使用VC自带的MSComm控件和单片机通信。该控件重要属性设置如下：

①本文使用PC机的串口1通信，故串口编号CommPort设置为1；

②设单片机发来的一个有效角度或速度数据的字节数为n，则从输入缓冲区一次读取的字节数InputLen属性设置为n；

③输入缓冲区长度InBufferSize设置为n的整数倍，防止读取数据出错；

④产生接收事件的阈值RThreadshold设置为n，表示缓冲区中有一个及以上有效数据时就接收；

⑤输出缓冲区长度OutBufferSize设置为n的整数倍；

⑥产生发送事件的阈值RThreadshold设置为n。

以上属性设置完毕后打开串口，在事件驱动函数中接收数据，依次将其转换为绘图设备区域中Y轴上的像素值，同时顺序连接各点绘制曲线并更新，实时表示电机转动角度和速度的变化。如图7所示，是电机速度控制界面的截图，横轴表示时间，纵轴表示转速，曲线的跳跃是电机速度方向的改变。

本文提出一种直流电机高精度数字控制系统的实现方法，设计了PC机上的控制界面。该系统硬件结构简单可靠、性价比高，系统可以达到很高的控制精度，并进行了软件验证，采用先进算法后可以进一步提高控制性能。