基于ATmega8的大功率直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　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(guò)PWM波來(lái)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^(guò)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(lái)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(guò)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(guò)單片機(jī)產(chǎn)生PWM波來(lái)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^(guò)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)。

　?。ǘ┲饕布O(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(guò)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(guò)大的問(wèn)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(lái)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(lái)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(mén)的輸入端，與非門(mén)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(mén)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(guò)500KHz的載波信號(hào)通過(guò)脈沖變壓器進(jìn)行傳輸。