直流电机优化控制系统设计(二)

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3 系统硬件方案设计与实现
         
        3.1 控制芯片
          选择单片机作为本控制系统的核心，根据本系统所要完成的功能，要求我们所用的控制芯片需具备以下功能或接口，PWM 输出功能、A/D 转换功能、串行通讯接口。此外，为了完成某些控制算法，需要有较高的速度，还要求具有较低的功耗和较高的性价比，能够进行硬件调试，软件开发简单。AVR 单片机是Atmel 公司推出的较为新颖的8 位单片机，采用了RISC 结构，其显著的特点为高性能、高速度低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。内部集成32 个通用寄存器，每一个都相当于51 里面的一个累加器A，避免了累加器瓶颈，进一步提高了运行速度和代码效率。AVR 单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用1～16MHz，最短指令执行时间为63ns。AVR 单片机指令代码较为简练，其编译器都C 语言进行了优化，具备ISP和IAP（In Application Program，在应用编程）。与传统的51 系列相比，AVR 单片机在速度、功耗、性价比上具有极大的优势，因此，我们选择AVR 单片机作为本系统的控制芯片。
         
        3.1.1 ATmega16 的特点
        ATMEL 公司的AVR 单片机现有50 多个品种，分为低、中、高三个不同档次。我们选择了AVR 单片机中性价比较高的一款-ATmega16 作为系统控制芯片。ATmega16 属于高档AVR 单片机，是一款性能完善、使用更加方便和功能更加强大的新型AVR 单片机。其性能及内部资源如下：
         
        （1）高性能和低功耗的先进RISC 型8 位微控制器。
        （2）32 个8 位通用工作寄存器，只需2 个时钟周期的硬件乘法器，工作于
        16MHz 时性能高达16MIPS。
        （3） 内部集成16KB Flash，1KB 的SRAM 和512B 的E2PROM。
        （4）32 个准双向I/O 引脚，20 个中断源，其中外部中断源为2 个，1 个SPI
        接口和1 个USART，2 个8 位定时器和一个16 位定时器，3 个PWM 通道，8
        路10 位的A/D 通道。
        （4） 具有空闲、省电、掉电、等待和ADC 降噪等多种功作模式和上电复位、
        外部复位、看门狗复位和BOD（电源电压欠压和过压检测）等多种复位电路。。
        （5） 符合IEEE1149.1 标准的JTAG 接口，可实现对片内存储器的编程和程
        序调试。具备ISP 和IAP 功能。
        （6）系统时钟为0-16MHz，可外接晶体振荡器，也可用片内振荡器，ATmega16
        提供0-8MHz 可校准的内部时钟，在对时钟要求不很严格的场合可用内部时钟，
        可以节省成本和降低EMI。
        （7）工作电压、速度及功耗。ATmega16L：2.7-5.5V，0-8MHz，ATmega16：
        4.5-5.5V，0-16MHz。ATmega16L 在1MHz，3V，25℃时功耗为：正常模式：1.1mA，
        空闲模式0.35mA，掉电模式：小于1μA。
        （8）DIP40 或TQFP44 封装。
           
        3.2 AVR单片机最小系统
        AVR 单片机最小系统由复位电路、晶振电路和ISP 下载下线接口及ATmega16构成。如下图3-1 所示。
         
       
           
          虽然AVR 单片机内部带有0-8MHz 的内部时钟，但为了系统时序稳定，工作可靠，这里采用了由8MHz 的石英晶振构成的振荡器作为单片机的系统时钟。R23、C23 和S1 构成上电复位和按键复位电路。P14 为AVR 单片机的ISP 下载接口。C27、C24，L1、C26 分别构成数字电路和内部模拟电路电源滤波电路，C25 为A/D 转换所用内部参考源的滤波电容。单片机的管脚分配如下表3-1 所示。
         
       
         
        3.3 双极性PWM 波形产生与死区发生
         
        3.2.1 PWM波的产生
        PWM 波形由控制芯片ATmega16 的定时器T/C1 产生，从OC1A（PD5）引脚输出。ATmega16 的T/C1 是一个可编程的16 位双向的定时器/计数器，既可以在系统时钟作用下作为16 位定时器使用，也可以对T1 引脚上的脉冲进行计数，可以在OC1A 和OC1B 引脚上输出两路PWM 波形，并可在ICP 引脚上输入脉冲作用下捕捉一次TCNT1 中瞬时计数值。这里我们不详细介绍T/C1 的所有功能，只阐述其产生PWM 的波形的过程。与T/C1 有关的工作寄存器有：T/C1 计数器TCNT1、输出比较匹配寄存器OCR1A 和OCR1B 以及输入捕捉寄存器ICR1，均为16 位，由相应的8 位I/O 寄存器拼装而成；T/C1 控制寄存器TCCR1A 和TCCR1B，用于设定T/C1 的工作模式。T/C1 的工作模式由一般模式、比较匹配时清零定时器（CTC）模式以及两种PWM 等15 种。PWM 模式中，又可分为8 位、9 位、10 位PWM，其中又有快速模式和相位频率可调模式。PWM 波形位数越高，则其波形输出精度也越高，但其相应频率也越低。为使电机电流连续，PWM 波形频率不能太低。在快速PWM 模式下，TCNT1 为加“1”计数器，可以从0000H 一直加到TOP值，并在下个计数脉冲到来时清零，然后再从0000H 开始加“1”计数，并重复上述过程。相比于其他两种PWM（相位可调及相位频率可调）模式，快速PWM模式频率要高出一倍，适合功率调节、电机控制等。因此我们选择快速PWM模式。
         
        OC1A 或OC1B 引脚上PWM 输出波形的频率由下式确定，式中的N 取值为1、8、64、254 或1024（分别代表分频系数）。
         
       
         
        fCLK_IO 为时钟频率，为8MHz，取N=1，即不对时钟进行分频，TOP 值代表CNT1 计数的最大值，跟PWM 位数有关，当选择8 位快速PWM 模式时，TOP=255，则输出频率为31.25KHz；选择9 位快速PWM时，TOP=511，则输出频率为15.6KHz，综合比较，选择9 位快速PWM 输出模式，能同时满足频率和精度的要求。频率确定后，还需确定占空比（波形）。引脚OC1A 或OC1B 的输出波形取决于触发器OC1A 或OC1B。在T/C1 设置成反向比较匹配输出模式下时，若TCNT1 中计数值和OCR1A 或OCR1B 中比较值匹配相等时，OC1A 或OC1B 触发器被清零，OC1A 或OC1B 引脚输出低电平；若TCNT1 中计数值继续计数到TOP 值并由此而返回0000H，则OC1A 或OC1B 被置位，OC1A 或OC1B 输出高电平。工作时序如图3-2 所示。当TCNT1 中的计数值达由TOP 值变为0000H 时，T/C1 产生溢出中断，置位中断标志位TOV1，若中断是开放的，则MCU 会立即转入相应中断服务程序。TOV1 也由硬件自动清零，向该标志位写”1”则由软件清除该标志位。在中断服务程序中改变OCR1A 的值，则其PWM 波形占空比会发生相应变化 。图3-2 T/C1 反向比较匹配输出模式工作时序本系统中，我们只需要一路PWM 信号即可，这里用OC1A 引脚产生，采用9 位快速PWM 模式，频率为15.6KHz，当要改变输出占空比时，改变OCR1A的值即可。
           
         
        3.2.2 驱动信号形成及死区发生
        H桥要由4 路其中两路反向的波形来驱动，因此需将PWM 波形进行反向处理。此外，还需加入防止H 桥上下臂直通的延时电路。如图3-3 所示。
           
         
         
       
        EN 为PWM 输出使能信号，当EN 为低电平时，封锁输出与门，输出全为低电平，电机停转。同时输出与门也起着整形的作用。PWM 信号一路直接输入与门，另一路经反向后送入与门，增加其驱动能力。D1、R5、C9，D3、R9、C12构成死区发生，利用阻容充电，使波形缓慢上升，再利于与门的阈值电压（VCC/2,这里为2.5V）对波形进行整形。下降沿时，电容通过二极管进行快速放电，这样就行成了导通延时。各点波形如图3-4 所示。更新OCR1A或OCR1B的值，置位TOV1中断标志标志位TCNT1OC1A或OC1B死区时间为△t，对MOSFET，死区时间可取0.2-1μs。本文将R5 和R9 用可变电阻代替，将死区时间设为500ns。
         
        经过该电路处理后，一路PWM 信号变成4 路PWM 信号，其中PA、PC 同相，PB、PD 也同相，这两组信号互为反相且存在死区。
           
         
        图 3-4 死区波形
           
           
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