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，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：（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。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。

圖4所示是驅動電路接入負載時，輸入PWM信號的占空比和輸出電壓的實測關系曲線。可以看出該電路的輸入輸出關系線性度良好，適用于直流力矩電機的驅動。

綜上所述，微控制器、編碼器信號檢測電路和電機驅動電路采用數字電路實現。

2 控制系統的軟件設計

本系統的軟件主要包括控制性能驗證程序設計和PC機上界面的VC程序設計。

2.1 控制精度驗證程序

基于以上硬件平臺，采用普通算法編寫電機轉動角度和速度的控制程序，觀察控制效果，驗證控制性能。

2.1.1電機轉動角度控制程序

如圖5所示，轉動角度控制中Atmega128的串口接收PC機發來的電機目標轉動角度。在主程序中將EPM7128發送來的電機的當前轉動角度與目標轉動角度比較，控制電機相應的轉動或制動，直到電機轉到指定位置。

2.1.2電機的速度控制程序

如圖6所示，電機速度控制中，ATmega128接收PC機發來的電機目標速度，根據速度方向驅動電機轉向，其定時器計算出實際速度后和目標速度比較，相應地增大或減小PWM占空比，改變速度大小，直到電機運行在期望的速度上。

程序運行后，實際測得角度控制的穩態誤差在±0.005 7 rad，速度控制的動態誤差在±0.013 1 rad/s，具有較高的精度和穩定性。在實際使用中，可以采用先進算法編制控制程序，進一步提高系統的控制性能。

作為比較，將相同的控制算法在PC上實現，通過全數字直流伺服驅動器上驅動電機，測得角度控制的穩態誤差是±0.004 rad，速度控制的動態誤差是±0.008 rad/s。可見本系統的控制精度與伺服驅動器的控制精度接近，而成本低于后者，具有很大優勢。

2.2 PC機控制界面的VC程序設計

PC機控制界面將目標轉動角度和速度發送給單片機，同時接收單片機發來的實時角度和速度并以曲線形式顯示。控制界面基于對話框的結構，使用VC自帶的MSComm控件和單片機通信。該控件重要屬性設置如下：

①本文使用PC機的串口1通信，故串口編號CommPort設置為1；

②設單片機發來的一個有效角度或速度數據的字節數為n，則從輸入緩沖區一次讀取的字節數InputLen屬性設置為n；

③輸入緩沖區長度InBufferSize設置為n的整數倍，防止讀取數據出錯；

④產生接收事件的閾值RThreadshold設置為n，表示緩沖區中有一個及以上有效數據時就接收；

⑤輸出緩沖區長度OutBufferSize設置為n的整數倍；

⑥產生發送事件的閾值RThreadshold設置為n。

以上屬性設置完畢后打開串口，在事件驅動函數中接收數據，依次將其轉換為繪圖設備區域中Y軸上的像素值，同時順序連接各點繪制曲線并更新，實時表示電機轉動角度和速度的變化。如圖7所示，是電機速度控制界面的截圖，橫軸表示時間，縱軸表示轉速，曲線的跳躍是電機速度方向的改變。

本文提出一種直流電機高精度數字控制系統的實現方法，設計了PC機上的控制界面。該系統硬件結構簡單可靠、性價比高，系統可以達到很高的控制精度，并進行了軟件驗證，采用先進算法后可以進一步提高控制性能。

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