一、前言

直流電動機作為主要的機電能量轉換的裝置，廣泛應用于各行各業。隨著計算機電子技術的迅猛發展，電動機的控制方法也發生了巨大的變化，模擬控制方法已基本被數字控制方法所取代。本系統采用ATmega8單片機為核心控制器，通過PWM波來控制H橋中MOSFET器件的導通和關斷，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直流電變為交流電在在通過變壓器將升壓到180V在整流獲得的，其中還將用PWM控制技術來控制直流電動機的轉速。

二、系統硬件設計

（一）系統工作原理

系統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。在通過單片機產生PWM波來控制H橋的MOSFET，對MOSFET的驅動我們采用互補式的隔離脈沖變壓器驅動。將直流電逆變為交流電在通過變壓器將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調速系統。

（二）主要硬件設計

1、雙閉環控制器電路

根據自動控制原理，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，如果被調量發生偏差，整個系統就會自動產生糾正偏差的作用。在本系統的設計中，采用比例積分調節算法，雙閉環負反饋系統，分別為電流PI調節和轉速PI調節算法。通過程序計算出電流環輸出電壓值，將電樞電壓值作為PWM波形占空比的設定值，AVR單片機輸出PWM波形，為了防止反饋控制的閉環調速系統在啟動和堵轉時電樞電流過大的問題，引入了電流截止負反饋環節。為了很好的得到輸入信號，我們運用軟件程序設計增加了一個卡爾曼濾波。卡爾曼濾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空間模型，利用前一時刻地估計值和現時刻的觀測值來更新對狀態變量的估計，求出現時刻的估計值。

圖1 由ATmega8構成的大功率直流電機控制器

2、PWM整形和MOSFET驅動電路

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后在單片機產生的PWM信號相接，當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，完成了驅動MOSFET的死區功能。當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、電機驅動和電流檢測電路

主要是通過MOSFET的導通和關斷將直流逆變為交流電，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了升壓的過程。其中最重要的是要實現H橋中MOSFET控制時要求對管開通和關斷的時間要一樣。這樣才能保證變壓器不處于飽和狀態。從而實現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軸上，光電轉速傳感器正對著信號盤。當信號盤轉動時，光電元件就會輸出周期性脈沖信號。信號盤旋轉360度產生的脈沖數，和其上面的齒數相等。因此脈沖信號的頻率大小就反映了電動機轉速的大小。

三、軟件設計

主程序是一個循環程序，其主要思路是，首先先設定好速度初始值和電流初始值，然后將檢測的輸入信號經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定值相比較得到一個誤差值，將誤差送給電流轉速閉環PI調節（PI調節器輸出計算和PWM脈寬調節）。PI調節器輸出計算在轉速值和電流值更新后進行，否則輸出脈沖只根據PI運算的歷史值變化，PWM脈寬調節是脈寬從當前值平滑變化到PI調節器計算出的新值，實現平滑調速。

四、結論

本系統通過對直流電動機數學模型分析，建立了勵磁直流電動機的電樞電壓結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，采用了轉速環-電流環雙閉環反饋控制系統，通過PI算法調節電動機的轉速。此設計采用的是AVR單片機為控制器，輸入到AVR轉速信號為數字信號，電機電流信號通過AVR內的模數轉換器轉換為數字信號，這樣為在軟件上實現閉環反饋控制算法提供了保證。系統經過軟硬件設計調試證明運行可靠、穩定，達到了預期的目標。

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