一、前言

直流電動(dòng)機(jī)作為主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)控制器主要采用的是ATmega8單片機(jī)為控制芯片。通過霍爾傳感器檢測(cè)電流，光電編碼器對(duì)速度進(jìn)行檢測(cè)。在通過單片機(jī)產(chǎn)生PWM波來控制H橋的MOSFET，對(duì)MOSFET的驅(qū)動(dòng)我們采用互補(bǔ)式的隔離脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)。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(duì)電機(jī)的控制我們采用的是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

（二）主要硬件設(shè)計(jì)

1、雙閉環(huán)控制器電路

根據(jù)自動(dòng)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(jìn)行控制的系統(tǒng)，如果被調(diào)量發(fā)生偏差，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用比例積分調(diào)節(jié)算法，雙閉環(huán)負(fù)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(jì)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(jī)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(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電樞電流過大的問題，引入了電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。為了很好的得到輸入信號(hào)，我們運(yùn)用軟件程序設(shè)計(jì)增加了一個(gè)卡爾曼濾波。卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則，來尋求一套遞推估計(jì)的算法，其基本思想是：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻地估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出現(xiàn)時(shí)刻的估計(jì)值。

圖1 由ATmega8構(gòu)成的大功率直流電機(jī)控制器

2、PWM整形和MOSFET驅(qū)動(dòng)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(hào)接CLICK端。當(dāng)PWM處于由高電平時(shí)，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(shí)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(hào)分別接到兩個(gè)與非門的輸入端，與非門的另外兩個(gè)端口相聯(lián)后在單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)相接，當(dāng)PWM為低電平是兩個(gè)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(dòng)MOSFET的死區(qū)功能。當(dāng)CLICK處于上升沿的時(shí)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(hào)通過500KHz的載波信號(hào)通過脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。

3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)電路

主要是通過MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流逆變?yōu)榻涣麟姡ㄟ^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(shí)現(xiàn)了升壓的過程。其中最重要的是要實(shí)現(xiàn)H橋中MOSFET控制時(shí)要求對(duì)管開通和關(guān)斷的時(shí)間要一樣。這樣才能保證變壓器不處于飽和狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)26V直流電升壓到180V的功能。為了便于我們對(duì)電機(jī)的控制，我們?cè)谶@里加上了霍爾傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的檢測(cè)。

圖2 主程序流程圖

4、速度檢測(cè)電路

將信號(hào)盤安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，光電轉(zhuǎn)速傳感器正對(duì)著信號(hào)盤。當(dāng)信號(hào)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件就會(huì)輸出周期性脈沖信號(hào)。信號(hào)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(hào)的頻率大小就反映了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。

三、軟件設(shè)計(jì)

主程序是一個(gè)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(cè)的輸入信號(hào)經(jīng)過卡爾曼濾波器濾波后得到輸入信號(hào)的值，再將著兩個(gè)值分別和設(shè)定值相比較得到一個(gè)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(jì)算和PWM脈寬調(diào)節(jié)）。PI調(diào)節(jié)器輸出計(jì)算在轉(zhuǎn)速值和電流值更新后進(jìn)行，否則輸出脈沖只根據(jù)PI運(yùn)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(jì)算出的新值，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。

四、結(jié)論

本系統(tǒng)通過對(duì)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型分析，建立了勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓結(jié)合勵(lì)磁電壓的電動(dòng)機(jī)控制方案，并對(duì)勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此設(shè)計(jì)采用的是AVR單片機(jī)為控制器，輸入到AVR轉(zhuǎn)速信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，電機(jī)電流信號(hào)通過AVR內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這樣為在軟件上實(shí)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(jì)調(diào)試證明運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

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