【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控制系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。 產(chǎn)生 PWM 信號 4種方法 ............................................... 錯誤 !未定義書簽。文中采用 AVR 單片機 ATmega16 產(chǎn)生 PWM 信號、 RI2110 驅(qū)動、行列式鍵盤控制及 LCD 顯示，并采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán) PID 算法對直流電機進行調(diào)速控制的直流電機 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。 PWM 軟件設(shè)計 ........................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計 ............................................................ 錯誤 !未定義書簽。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，以及市場對產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動機的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機器人中的應(yīng)用。這是因為單片機具有體積小、功能全、抗干擾能力強、可靠性高、結(jié)構(gòu)合理、指令豐富、控制功能強、 造價低等 眾多優(yōu)點 。 直流電機常用調(diào)速方法以及調(diào)速發(fā)展方向 常用的控制直流電動機有以下幾種 ： 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機電樞供電 通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當?shù)男?轉(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(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)立即顯示出強大的生命力。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及 3 低成本。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的 SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。電動機控制技術(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)，微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。電動機的驅(qū)動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動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運動控制系統(tǒng)為智能運動控制系統(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、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進行控制 ，強大的通訊功能使它易和 PLC 等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、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，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。我國關(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)。但由于進口設(shè)備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。直流電動機是應(yīng)用磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，其轉(zhuǎn)子和定子分別由繞組和永久磁鐵組成。 直流電機工作原理 在直流電動機中，外加電壓并不是直接加在線圈兩端，而是通過電刷 BB2 和換向器再加到線圈上。 圖 直流電機模型 直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示 ： 6 T=KTφ Ia 式中 KT—— 電動機結(jié)構(gòu)系數(shù)； φ —— 每個磁極下的磁通 (wb)； Ia—— 電樞電流 (A)。按勵磁供電方式不同，直流電機可分為他勵和自勵兩大類。 7 串勵電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流相 等。由于直流電機具有良好的線性調(diào)速特性、控制簡單、效率高及優(yōu)異的動態(tài)特性，長期以來一直占據(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)域里的雷達驅(qū)動、機載武器瞄準驅(qū)動、自行火炮火力控制驅(qū)動等等。設(shè)計思路在第三章中詳細論證。因此該系統(tǒng)在硬件方面包括：電源模塊、電機驅(qū)動模塊、控制模塊、人機交換模塊。 （ 3） 126x6464LCD 顯示模塊提供一個人機對話界面，并實時顯示電機運行速 10 度和運行時間。 方案二：直接采用 AVR 單片機由軟件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號 ，經(jīng)過 PID 算法來實現(xiàn)閉環(huán)控制。 方案三：直接采用 4個三極管搭成橋式電路來控制電機的轉(zhuǎn)動。 11 顯示電路設(shè)計 顯示電路采用 128x64LCD 顯示結(jié)果。在運行過程中控制器產(chǎn)生 PWM 脈沖送到電機驅(qū)動電路中，經(jīng)過放大后控制直流電機轉(zhuǎn)速，同時利用速度檢測模塊將當前轉(zhuǎn)速反饋到控制器中，控制器經(jīng) PID 運算后改變 PWM脈沖的占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速實時控制的目的。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。 13 工作于空閑模式時 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，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止 CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，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，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。在更新應(yīng)用 Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)Flash區(qū) (Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運行，實現(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)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。不使用 ADC時，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 RI2110 芯片功能及其特點 IR2110 芯片是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS 技術(shù)，與 1990 年前后開發(fā)并且投放市場的， IR2110 是一種雙通道高壓、 高速的功率器件柵極驅(qū)動的單片式集成驅(qū)動器，它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè) MOSFET或 IGBT 所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能它的特點在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強響應(yīng) 速度快 工作電壓比較高，可以達到 660v，其內(nèi)設(shè)欠壓封裝，成本低，易于調(diào)試。因此，在這個電路中， Q Q4 或者 Q Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的，設(shè)計采用 PWM 信號來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。 在 HIN 為低電平期間， LIN 端輸入高電平， Q Q3 導(dǎo)通，在直流電機上加反向工作電壓，具體操作步驟如下： 當 IC1 的 LO為高電平而 HO為低電平的時候， 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，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。 當 λ = 時， VOUT=0，此時電機轉(zhuǎn)速為零。 本設(shè)計采用 128x64 全點陣液晶顯示器組成，可完成漢子顯示和圖形顯示。這樣，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易的判斷哪個按鍵被按下，因此操作速度高而且軟件結(jié)構(gòu)簡單，但是。 本設(shè)計使用 4x4 鍵盤用以實現(xiàn)對 P、 I、 D 三個參數(shù)和電機 正反轉(zhuǎn)的設(shè)定，以及對電機啟動、停止、暫停、繼續(xù)的控制，其電路原理如圖 所示。它將檢測到的角位移轉(zhuǎn)換成脈沖形式 的數(shù)字信號輸出。顯 然，碼道越多，分辨率就越高，對于一個具有 N 位二進制分辨率的編碼器，其碼盤必須有 N條碼道。碼盤上有相標志，每轉(zhuǎn)一圈 Z 相輸出一個脈沖。低電平頻率越大，就說明電機轉(zhuǎn)速越高，反之，就說明電 機轉(zhuǎn)速較低，通過脈沖電平前后的變化，可以看出電機運行時加速還是減速。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 單片機和顯示器所需電源為 5V，直流電機所需電源為 12V，設(shè)計采用 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)計與實現(xiàn) 對于 AVR 系列單片機，既可以用匯編語言編程，也可以采用 BASCOM 和 C語言等高級語言編程。 C 語言支持自頂向下的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，并且支持模塊化程序設(shè)計結(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）進行控制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許 多領(lǐng)域。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。 多數(shù)負載 (無論是電感性負載還是電容性負載 )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 .。 對小功率直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用微型計算機或單片 機來控制是極為方便的。 設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D=t1/T,則電機的平均速度為： Vd=Vmax*D 式中 ， Vd指的是電機平均轉(zhuǎn)速， Vmax指電機在全通 電時的最大速度，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 ,但增 加了調(diào)速系統(tǒng)的成本開銷 。在系統(tǒng)運行期間，根據(jù)每次采樣的速度值進行數(shù)字 PID 運算后改變 U0，進而實現(xiàn)對 電機的調(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