基于霍爾傳感器反饋的AVR單片機(jī)直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜秋來(lái)

（江西渝州科技職業(yè)學(xué)院，江西 渝州 338029）

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)采用AVR ATmega8單片機(jī)，是基于AVR增強(qiáng)性能、RISC結(jié)構(gòu)、低功耗、高速度、電源抗干擾能力強(qiáng)等的新一代微控制器，執(zhí)行速度快，具有良好的性?xún)r(jià)比。ATmega8具有32個(gè)通用工作寄存器，帶有硬件乘法器，三通道的PWM輸出和8路10位ADC，還帶有 8K的FLASH和1K的SRAM，數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)1MIPS/MHz。

本控制系統(tǒng)采用L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)速測(cè)量。主要由AVR單片機(jī)ATmega8、L298驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、霍爾傳感器、光耦器件、LED顯示接口和通訊接口組成。

這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，啟動(dòng)電機(jī)后，系統(tǒng)進(jìn)入采樣周期，電機(jī)轉(zhuǎn)速改變，霍爾傳感器產(chǎn)生一定量的脈沖個(gè)數(shù)，由霍爾傳感器電路輸出。經(jīng)光耦器件進(jìn)行隔離整形后，成為轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，反饋到ATmega8單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)通訊接口（例如IIC、并口通訊、串口通訊等）從控制端獲得電機(jī)給定速度，或是單片機(jī)系統(tǒng)自行給定電機(jī)速度。單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)給定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與速度的反饋信號(hào)相減，得出偏差信號(hào)，通過(guò)各種控制算法得到控制量。單片機(jī)再把控制量通過(guò)PWM的形式輸出，經(jīng)過(guò)L298功率放大，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，然后進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。LED顯示主要用于軟件調(diào)試和一些需要顯示特定參數(shù)的場(chǎng)合。

2 霍爾傳感器測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）轉(zhuǎn)速測(cè)量的基本原理?；魻杺鞲衅魇桥c電機(jī)同軸連接的，其輸出脈沖頻率與轉(zhuǎn)速成正比。因此，根據(jù)脈沖發(fā)生器輸出的脈沖序列，可以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法 (測(cè)頻法)、T法(測(cè)周期法)和MPT法(頻率周期法)，本系統(tǒng)采用了M法(測(cè)頻法)。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)衡量，在變換過(guò)程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。

（2）轉(zhuǎn)速控制原理。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類(lèi),即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制，控制磁通,其控制功率雖然小,但低速時(shí)受到磁飽和的限制,高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。在電樞電壓控制法中，PWM（脈寬調(diào)制）具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低等特點(diǎn)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器獲得了廣泛的應(yīng)用。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，適應(yīng)性廣。

（3）L298驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)。ATmega8單片機(jī)輸出的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)才能不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要經(jīng)過(guò)功率放大，本調(diào)速系統(tǒng)采用L298專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)接口電路如圖1所示。集成電路L298是一種功率放大芯片,它有2路完全相同的電路。工作原理如下:在使能端6腳為高的情況下,當(dāng)5腳為高,7腳為低時(shí),電機(jī)向右轉(zhuǎn);當(dāng)5腳為低,7腳為高時(shí),電機(jī)向左轉(zhuǎn);當(dāng)5腳和7腳的狀態(tài)相同時(shí),電機(jī)快速停止。在6腳為低的情況下,當(dāng)5腳和7腳的狀態(tài)相同時(shí),電機(jī)自由停止。在連接時(shí)，單片機(jī)的PWM（10）輸出引腳接L298的EnA（6）和 EnB（11）引腳，單片機(jī)的（13）經(jīng)過(guò)邏輯電路接到L298的IN1～I(xiàn)N4輸入引腳上。為了增強(qiáng)L298的驅(qū)動(dòng)能力，本系統(tǒng)對(duì)L298的兩路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了并聯(lián)使用，最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到了3A。

圖1 系統(tǒng)接口電路

比較器LM393主要起到限制過(guò)流和保護(hù)L298的作用。LM393的同相端直接連到了一個(gè)可變點(diǎn)位計(jì)上，電位計(jì)的參考電壓時(shí)可調(diào)的，調(diào)節(jié)電位計(jì)的參考電壓能調(diào)節(jié)L298的限流電壓。LM393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB兩檢測(cè)端。當(dāng)檢測(cè)電阻兩端的電壓大于限流電壓時(shí)，比較器的反相端的電壓大于同相端的電壓，輸出端輸出低電平，從而把L298的EnA和EnB使能端拉低，L298停止工作。這就起到了限制過(guò)流和保護(hù)L298的作用。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK等于18432000，T0 定時(shí) 1 ms， 初始化時(shí) TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，輸出轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)N，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速值。將1 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速值換算成1 min內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，并在LED上輸出測(cè)量結(jié)果。

這里采用ATmega8中的INT0中斷對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T1工作于外部事件計(jì)數(shù)方式對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)；定時(shí)器方式均工作于方式1。主程序首先從上位機(jī)(或是單片機(jī)系統(tǒng)自行給定)獲得控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的命令字,命令字包括控制電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向等信息,然后檢查收到的數(shù)據(jù)是否有效,如果無(wú)效,則向上位機(jī)發(fā)出“命令錯(cuò)”信息,繼續(xù)等待上位機(jī)發(fā)出命令字;否則,調(diào)用速度控制子程序,然后等待外部中斷0的產(chǎn)生。在速度控制子程序中，只要定時(shí)中斷有效，就調(diào)用PID算法程序，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)值與當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，改變輸出PWM波形的占空比，使電機(jī)達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速值，這就是本系統(tǒng)的控制過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在這里選用歐鵬公司的教學(xué)機(jī)器人其中的關(guān)節(jié)控制電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。電機(jī)為DunkungMotor14W直流伺服電機(jī)，額定電樞電壓12V，額定電流2.8A；選用美國(guó)史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開(kāi)關(guān)傳感器3144。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，速度控制平穩(wěn)，電機(jī)正常工作。

5 結(jié)論

本測(cè)速系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器檢測(cè)速率信號(hào)，具有頻率響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。霍爾傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)單片機(jī)對(duì)連續(xù)脈沖記數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)控，并且充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源。ATmega8 AVR單片機(jī)是一種高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)，結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，保證了該系統(tǒng)非常高的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。經(jīng)過(guò)測(cè)試并對(duì)誤差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差在3%以?xún)?nèi)，并且在測(cè)量范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高測(cè)量精度越高。所以該系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值。