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(yè)。隨著計算機電子技術的迅猛發(fā)展，電動機的控制方法也發(fā)生了巨大的變化，模擬控制方法已基本被數字控制方法所取代。本系統(tǒng)采用ATmega8單片機為控制器，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?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控制技術來控制直流電動機的轉速。
　　二、系統(tǒng)硬件設計
　?。ㄒ唬┫到y(tǒng)工作原理
　　系統(tǒng)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?yōu)榻涣麟娫谕ㄟ^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(huán)調速系統(tǒng)。
　?。ǘ┲饕布O計
　　1、雙閉環(huán)控制器電路
　　根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，如果被調量發(fā)生偏差，整個系統(tǒng)就會自動產生糾正偏差的作用。在本系統(tǒng)的設計中，采用比例積分調節(jié)算法，雙閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，分別為電流PI調節(jié)和轉速PI調節(jié)算法。通過程序計算出電流環(huán)輸出電壓值，將電樞電壓值作為PWM波形占空比的設定值，AVR單片機輸出PWM波形，為了防止反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)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(huán)節(jié)。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?？柭鼮V波是以均方誤差為估計的準則，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(tài)空間模型，利用前一時刻地估計值和現(xiàn)時刻的觀測值來更新對狀態(tài)變量的估計，求出現(xiàn)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(lián)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，從而使得四路PWM輸出都為低電平，完成了驅動MOSFET的死區(qū)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?yōu)榻涣麟?，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(xiàn)了升壓的過程。其中重要的是要實現(xiàn)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(tài)。從而實現(xiàn)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(xiàn)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(huán)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(huán)PI調節(jié)（PI調節(jié)器輸出計算和PWM脈寬調節(jié)）。PI調節(jié)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(jié)是脈寬從當前值平滑變化到PI調節(jié)器計算出的新值，實現(xiàn)平滑調速。
　　四、結論
　　本系統(tǒng)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(huán)-電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過PI算法調節(jié)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(xiàn)閉環(huán)反饋控制算法提供了保證。系統(tǒng)經過軟硬件設計調試證明運行可靠、穩(wěn)定，達到了預期的目標。