基于霍爾傳感器反饋的AVR單片機直流電機伺服系統(tǒng)設(shè)計

杜秋來

（江西渝州科技職業(yè)學(xué)院，江西 渝州 338029）

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

本系統(tǒng)采用AVR ATmega8單片機，是基于AVR增強性能、RISC結(jié)構(gòu)、低功耗、高速度、電源抗干擾能力強等的新一代微控制器，執(zhí)行速度快，具有良好的性價比。ATmega8具有32個通用工作寄存器，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1MIPS/MHz。

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

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

2 霍爾傳感器測速系統(tǒng)設(shè)計

（1）轉(zhuǎn)速測量的基本原理?；魻杺鞲衅魇桥c電機同軸連接的，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，可以測量電機的轉(zhuǎn)速和判別其轉(zhuǎn)動方向。根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法 (測頻法)、T法(測周期法)和MPT法(頻率周期法)，本系統(tǒng)采用了M法(測頻法)。由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。

（2）轉(zhuǎn)速控制原理。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類,即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制，控制磁通,其控制功率雖然小,但低速時受到磁飽和的限制,高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大,動態(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。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制的PID控制器獲得了廣泛的應(yīng)用。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，適應(yīng)性廣。

（3）L298驅(qū)動接口設(shè)計。ATmega8單片機輸出的脈寬調(diào)制（PWM）信號才能不能直接驅(qū)動電機，需要經(jīng)過功率放大，本調(diào)速系統(tǒng)采用L298專用電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動接口電路如圖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,電機向右轉(zhuǎn);當(dāng)5腳為低,7腳為高時,電機向左轉(zhuǎn);當(dāng)5腳和7腳的狀態(tài)相同時,電機快速停止。在6腳為低的情況下,當(dāng)5腳和7腳的狀態(tài)相同時,電機自由停止。在連接時，單片機的PWM（10）輸出引腳接L298的EnA（6）和 EnB（11）引腳，單片機的（13）經(jīng)過邏輯電路接到L298的IN1～IN4輸入引腳上。為了增強L298的驅(qū)動能力，本系統(tǒng)對L298的兩路驅(qū)動進行了并聯(lián)使用，最大驅(qū)動能力達到了3A。

圖1 系統(tǒng)接口電路

比較器LM393主要起到限制過流和保護L298的作用。LM393的同相端直接連到了一個可變點位計上，電位計的參考電壓時可調(diào)的，調(diào)節(jié)電位計的參考電壓能調(diào)節(jié)L298的限流電壓。LM393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB兩檢測端。當(dāng)檢測電阻兩端的電壓大于限流電壓時，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。這就起到了限制過流和保護L298的作用。

3 軟件設(shè)計

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

這里采用ATmega8中的INT0中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)。定時器T1工作于外部事件計數(shù)方式對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)；定時器方式均工作于方式1。主程序首先從上位機(或是單片機系統(tǒng)自行給定)獲得控制電機轉(zhuǎn)速的命令字,命令字包括控制電機的速度、轉(zhuǎn)向等信息,然后檢查收到的數(shù)據(jù)是否有效,如果無效,則向上位機發(fā)出“命令錯”信息,繼續(xù)等待上位機發(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)前電機的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，改變輸出PWM波形的占空比，使電機達到預(yù)定的轉(zhuǎn)速值，這就是本系統(tǒng)的控制過程。

4 實驗測試

在這里選用歐鵬公司的教學(xué)機器人其中的關(guān)節(jié)控制電機作為實驗對象。電機為DunkungMotor14W直流伺服電機，額定電樞電壓12V，額定電流2.8A；選用美國史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開關(guān)傳感器3144。實驗結(jié)果表明，速度控制平穩(wěn)，電機正常工作。

5 結(jié)論

本測速系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器檢測速率信號，具有頻率響應(yīng)快、抗干擾能力強等特點?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘柦?jīng)信號調(diào)理后，通過單片機對連續(xù)脈沖記數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測控，并且充分利用了單片機的內(nèi)部資源。ATmega8 AVR單片機是一種高性價比的單片機，結(jié)合電機驅(qū)動芯片L298，保證了該系統(tǒng)非常高的經(jīng)濟性與可靠性。經(jīng)過測試并對誤差進行分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測量誤差在3%以內(nèi)，并且在測量范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高測量精度越高。所以該系統(tǒng)具有很大的實用價值。