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直流电机优化控制系统设计(二)
发布时间:2016-03-30 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]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电感厂家 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，可外接晶功率电感体振荡器，也可用片内振荡器，ATmega16
提供0-8MHz一体电感器 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 的内部时钟电感器生产，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，快扼流电感速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。
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