【正文】 更高的要求，為此，研究并制造高性能、高可靠性的直流電機(jī)控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 產(chǎn)生 PWM 信號(hào) 4種方法 ............................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。文中采用 AVR 單片機(jī) ATmega16 產(chǎn)生 PWM 信號(hào)、 RI2110 驅(qū)動(dòng)、行列式鍵盤控制及 LCD 顯示，并采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán) PID 算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM) 直流調(diào)速技術(shù) ,它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。 PWM 軟件設(shè)計(jì) ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) ............................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有體積小、功能全、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)合理、指令豐富、控制功能強(qiáng)、 造價(jià)低等 眾多優(yōu)點(diǎn) 。 直流電機(jī)常用調(diào)速方法以及調(diào)速發(fā)展方向 常用的控制直流電動(dòng)機(jī)有以下幾種 ： 一． 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定 的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電 通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男?轉(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。 四 .1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。同時(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及 3 低成本。近年來(lái)，一些先進(jìn)國(guó)家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公司的 SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流。由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 直流調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號(hào)、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺(tái)附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺(tái)控制器甚至可以僅通過(guò)參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對(duì)不同類型的被控對(duì)象進(jìn)行控制 ，強(qiáng)大的通訊功能使它易和 PLC 等各種器件通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過(guò)程系統(tǒng)，而且具有操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長(zhǎng)期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。我國(guó)關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有 :綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償 PID 控制 PID 算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。直流電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，其轉(zhuǎn)子和定子分別由繞組和永久磁鐵組成。 直流電機(jī)工作原理 在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并不是直接加在線圈兩端，而是通過(guò)電刷 BB2 和換向器再加到線圈上。 圖 直流電機(jī)模型 直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示 ： 6 T=KTφ Ia 式中 KT—— 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)； φ —— 每個(gè)磁極下的磁通 (wb)； Ia—— 電樞電流 (A)。按勵(lì)磁供電方式不同，直流電機(jī)可分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。 7 串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流與電樞電流相 等。由于直流電機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、控制簡(jiǎn)單、效率高及優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，長(zhǎng)期以來(lái)一直占據(jù)著調(diào)速控制領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。在航空、軍事設(shè)施應(yīng)用領(lǐng)域里的雷達(dá)驅(qū)動(dòng)、機(jī)載武器瞄準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)、自行火炮火力控制驅(qū)動(dòng)等等。設(shè)計(jì)思路在第三章中詳細(xì)論證。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、人機(jī)交換模塊。 （ 3） 126x6464LCD 顯示模塊提供一個(gè)人機(jī)對(duì)話界面，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)運(yùn)行速 10 度和運(yùn)行時(shí)間。 方案二：直接采用 AVR 單片機(jī)由軟件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào) ，經(jīng)過(guò) PID 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 方案三：直接采用 4個(gè)三極管搭成橋式電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 11 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路采用 128x64LCD 顯示結(jié)果。在運(yùn)行過(guò)程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過(guò)放大后控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用速度檢測(cè)模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng) PID 運(yùn)算后改變 PWM脈沖的占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制的目的。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。 13 工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 SRAM、T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；停電模式時(shí)晶體振蕩器 [1]停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU 和除了異步定時(shí)器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模 塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。在更新應(yīng)用 Flash存儲(chǔ)區(qū)時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū) (Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了 RWW 操作。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。 端口 B： (PB7..PB0)端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。端口 B 也可以用做其他不同的 特殊功能 . 端口 C(PC7..PC0)：端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。如果 JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。不使用 ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC連接。 16 圖 （ a） 圖 （ b） 17 主要電路單元的設(shè)計(jì) RI2110 芯片功能及其特點(diǎn) IR2110 芯片是美國(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無(wú)閂鎖CMOS 技術(shù)，與 1990 年前后開發(fā)并且投放市場(chǎng)的， IR2110 是一種雙通道高壓、 高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器，它把驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET或 IGBT 所需的絕大部分功能集成在一個(gè)高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)響應(yīng) 速度快 工作電壓比較高，可以達(dá)到 660v，其內(nèi)設(shè)欠壓封裝，成本低，易于調(diào)試。因此，在這個(gè)電路中， Q Q4 或者 Q Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的，設(shè)計(jì)采用 PWM 信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在 HIN 為低電平期間， LIN 端輸入高電平， Q Q3 導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓，具體操作步驟如下： 當(dāng) IC1 的 LO為高電平而 HO為低電平的時(shí)候， Q2 導(dǎo)通且 Q1截止。 因電樞上的工作電壓是雙極性矩形 脈沖波形，由于存在著機(jī)械慣性的緣故，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來(lái)決定的。 當(dāng) λ = 時(shí)， VOUT=0，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零。 本設(shè)計(jì)采用 128x64 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可完成漢子顯示和圖形顯示。這樣，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易的判斷哪個(gè)按鍵被按下，因此操作速度高而且軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是。 本設(shè)計(jì)使用 4x4 鍵盤用以實(shí)現(xiàn)對(duì) P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)和電機(jī) 正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理如圖 所示。它將檢測(cè)到的角位移轉(zhuǎn)換成脈沖形式 的數(shù)字信號(hào)輸出。顯 然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N 位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 N條碼道。碼盤上有相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈 Z 相輸出一個(gè)脈沖。低電平頻率越大，就說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反之，就說(shuō)明電 機(jī)轉(zhuǎn)速較低，通過(guò)脈沖電平前后的變化，可以看出電機(jī)運(yùn)行時(shí)加速還是減速。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。 電源電路 單片機(jī)和顯示器所需電源為 5V，直流電機(jī)所需電源為 12V，設(shè)計(jì)采用 7805和 7812 兩種穩(wěn)壓芯片，最大輸出電流為 ： 圖 電源 接線圖 26 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 對(duì)于 AVR 系列單片機(jī)，既可以用匯編語(yǔ)言編程，也可以采用 BASCOM 和 C語(yǔ)言等高級(jí)語(yǔ)言編程。 C 語(yǔ)言支持自頂向下的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，并且支持模塊化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。目前，提出的控制算法有很多種，根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進(jìn)行控制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許 多領(lǐng)域。 PWM 信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無(wú) (OFF)。 多數(shù)負(fù)載 (無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載 )需要的調(diào)制頻率高于 10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。 如果占空比為 100%,那么輸出全部電壓 .。 對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用微型計(jì)算機(jī)或單片 機(jī)來(lái)控制是極為方便的。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D=t1/T,則電機(jī)的平均速度為： Vd=Vmax*D 式中 ， Vd指的是電機(jī)平均轉(zhuǎn)速， Vmax指電機(jī)在全通 電時(shí)的最大速度，為 D=t1/T指占空比。 ③專用 PWM 集成電路采用芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片 ,該方法功能強(qiáng) ,但增 加了調(diào)速系統(tǒng)的成本開銷 。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，根據(jù)每次采樣的速度值進(jìn)行數(shù)字 PID 運(yùn)算后改變 U0，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì) 電機(jī)的調(diào)節(jié)。 IT0=1。en1=1。 cc=0。 P1=0xf0。 //清 屏 Left()。 right()。 left()。 left()。 left()。 right()。 right()。 right()。 left()。 left()。 left()。 right()。 right()。 right()。 Left()。 Left()。) //等待啟動(dòng)鍵按下 {switch(set) {case 0:break。Disp_Digit (2,36,s[0])。 For(flag=0,n=0。 left()。} left()。) { left()。Disp_Digit (2,36,s[n])。Disp_Digit (2,28,s[n])。Disp_Digit (2,36,kong)。 Delay12864(2500)。 Kpp+=n。 Delay12864(1000)。Disp_Digit (2,52,s[n])。 case 2:right()。 right()。) { right()。 Delay12864(2500)。 Kii+=10*n。 Delay12864(1000)。 If(flag==1)break。 For(flag=0,n=0。 right()。} right()。break。Disp_Digit (4,36,s[0])。 For(flag=0,n=0。Disp_Digit (4,28,s[n])。Disp_Digit (4,28,s[n])。Disp_Digit (4,36,kong)。 Delay12864(2500)。 Kdd+=n。 Delay12864(1000)。 If(flag==1)break。break。Disp_Digit(4,36,s[0])。for(flag=0