【正文】 ................................................... 8 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 ......................................................................................... 9 設(shè)計(jì)思路 ............................................................................................................ 9 方案論證與設(shè)計(jì) ................................................................................................. 10 ................................................................ 10 電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) ............................................................................... 10 鍵盤電路的設(shè)計(jì) ...................................................................................... 10 顯示電路設(shè)計(jì) .......................................................................................... 11 速度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) ............................................................................... 11 系統(tǒng)組成 ........................................................................................................... 11 ATMEGA控制電路 ............................................................................................ 11 電源電路 ................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。本課題正是以此為出發(fā)點(diǎn)，利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)和控制。本文對(duì)基于微機(jī)控制的雙閉環(huán)可逆直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的控制方法， 本文 重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的 2 探討等內(nèi) 容。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控 制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)控制 裝置 也 不斷向前發(fā)展。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。 在那些對(duì)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場(chǎng)合（如數(shù)控機(jī) 床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。因此我國(guó)直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡(jiǎn)稱PWM）方向發(fā)展。 直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁線圈的供電方式。 復(fù)勵(lì)電機(jī)的同一磁極有兩套勵(lì)磁繞組，一套繞組與電樞繞組并聯(lián) (或其他電源供給 )，另一套繞組與電樞繞組串聯(lián)。 8 第二章 問(wèn)題的提出和解決方案 問(wèn)題的提出 在 實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)至關(guān)重要，要求電機(jī)按照給定的轉(zhuǎn)速來(lái)運(yùn)行，但受負(fù)荷 變化 和電壓波動(dòng) 等因素 影響，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速會(huì)存在偏差，如果偏差較大， 會(huì) 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)很嚴(yán)重的后果。 本系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)： （ 1）使用光電傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為脈沖頻率，比較精確地反映出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而與設(shè)定值進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差，實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分的控制，達(dá)到轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。 電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 方案一：采用晶閘管 —— 電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（ VM）進(jìn)行控制。 系統(tǒng)組成 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如 所示。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的 數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括： C 語(yǔ)言 編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器 / 軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。 XTAL2：反向振蕩放 大器的輸出端。 本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路采用了 IR2110 集成芯片，該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。 同理， IC2 的 HO 為高電平而 LO 為低電平， Q3 導(dǎo)通且 Q4 截止， Q3 的漏極接近于零點(diǎn)平，此時(shí) VCC通過(guò) D2 向 C3充電，為 Q4 的又一次導(dǎo)通做準(zhǔn)備。 當(dāng) λ =1 時(shí)， VOUT=V,此時(shí)電機(jī)全速運(yùn)行。 行列式鍵盤的特點(diǎn)是：行線、列線分別接輸入線、輸出線，按鍵設(shè)置在行、 22 列線的交叉點(diǎn)上，每一行和每一列的交叉處不同，而是通過(guò)按鍵來(lái)聯(lián)通，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 跟行線和 n跟列線就可以組成 m n個(gè)按鍵的鍵盤，因此，矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。 絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另 23 一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。 采樣方法 本設(shè)計(jì)采用增量式編碼器來(lái)采樣轉(zhuǎn)速信號(hào)，具體做法是 ：在電機(jī)軸上固定一 圓盤，且其邊緣上有 N個(gè)等分凹槽，在圓盤的一側(cè)固定一個(gè)發(fā)光二極管，其位置對(duì)準(zhǔn)凹槽處 ， 如圖 （ a） 所示，在另一側(cè)和發(fā)光二極管平行的位置上固定一個(gè)光敏三極管，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到凹槽處時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)縫隙將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，電路如圖 （ b） 所示，從圖中可以得出電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈在 PC3 的輸出端就會(huì)產(chǎn)生 N個(gè)低電平，這樣就可以根據(jù)低電平的數(shù)量來(lái)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速了。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)端(ADC1), 而其他任何 ADC 輸入可做為正輸入端。而采用高級(jí)語(yǔ)言可以提高系統(tǒng)應(yīng)用程序的編寫效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和周期。它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較的出偏差 e(n)，對(duì)偏差進(jìn)行 P、 I、 D 運(yùn)算，最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。通 的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。 在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)速系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開 電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 產(chǎn)生 PWM 脈沖的四種方法 ① 分立電子元件組成的 PWM 信號(hào)發(fā)生器這種方式是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號(hào)電路 ,是較早采用的方法 ,可靠性、可調(diào)性較差 。 Flag1=0。 U0=200。 //設(shè)置液晶顯示器 Clr_Scr()。 right()。 left()。 right()。 33 right()。 left()。 right()。 Left()。 Flag1=0。Disp_Digit (2,52,s[0])。 Delay12864(2500)。 Delay12864(1000)。 For(flag=0,n=0。} left()。Disp_Digit (2,52,s[n])。 right()。 Delay12864(1000) right()。) { right()。Disp_Digit(2,36,s[n])。 Delay12864(2500)。Disp_Digit (4,28,s[0])。Disp_Digit (4,28,kong)。 For(flag=0,n=0。} left()。Disp_Digit (4,52,s[n])。Disp_Digit(4,28,s[0])。Disp_Digit(4,28,kong)。Disp_Digit(4,44,s[0])。Disp_Digit (4,52,s[n])。) { left()。 left()。 If(flag==1)break。Disp_Digit (4,52,s[0])。 36 Kii+=*n。Disp_Digit(2,52,kong)。Disp_Digit(2,36,s[n])。} right()。 Kii=0。 Set=0。) { left()。 left()。 if(flag==1) break。 Kpp+=10*n。Disp_Digit (2,28,kong)。Disp_Digit (2,28,s[0])。 Left()。 right()。 left()。 left()。 right()。 left()。 left()。 left()。 pwm1=0。 32 count=0。通過(guò)單片機(jī)的初始化設(shè)置 ,使其自動(dòng)發(fā)生 PWM脈沖波 ,只有在改變脈沖寬度時(shí) ,CPU才進(jìn)行干預(yù) ,該方法控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單、可靠。如圖 所示： 圖 （ a） PWM 調(diào)速系統(tǒng)原理圖 29 圖 （ b） 圖 直流電機(jī) PWM 調(diào)速曲線 在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加，電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。 PWM 的意思是脈寬調(diào)節(jié) ,也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比 ,一個(gè)20%占空比波形 ,會(huì)有 20%的高電平時(shí)間和 80%的低電平時(shí)間，而一個(gè) 60%占空比的波形則具有 60%的高電平時(shí)間和 40%的低電平時(shí)間 ,占空比越大 ,高電平時(shí)間越長(zhǎng) ,則輸出的 脈沖幅度越高 ,即電壓越高 。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的單片機(jī)控制軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上，包括一個(gè)主循環(huán)體程序、鍵盤程序、顯示程序以及一些控制程序。標(biāo)稱值為 的基準(zhǔn)電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)。 ADC 與一個(gè) 8 通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。 增量式光電編碼器在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。在本設(shè)計(jì)中，用 鏈接鍵盤的列信號(hào) L0L3，用 鏈接鍵盤行信號(hào) H0H3。 根據(jù)按鍵開關(guān)與 CPU 的連接方式不同，鍵盤又可以分為獨(dú)立式和行列式兩大類。 HIN 信號(hào)的占空比為 D=t1/T，設(shè)電源電壓為 V， 20 那么電樞低壓的平均值為： VOUT=[t1（ Tt1） ]V/T =(2t1T)V/T =(2D1)V 定義負(fù)載電壓系數(shù)為 λ ， λ =VOUT/V，那么 λ =2D1，當(dāng) T 為常數(shù)時(shí)，改變 HIN為高電平的時(shí)間 t1，也就改變了占空比 D，從而達(dá)到改變 VOUT的目 的， D 在 01之間變化，因此 λ 在 177。 在 HIN 為高電平期間， Q Q4 導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向工作電壓，具體操作步驟如下： 當(dāng) IC1 的 LO 為低電平而 HO 為高電平的時(shí)候， Q2 被截止， C1 上的電壓經(jīng)過(guò)VB、 IC 內(nèi)部電路和 HO 端加在 Q1 的柵極上，從而使得 Q1導(dǎo)通，同理，此時(shí) IC2的 HO 為低電平而 LO 為高電平， Q3 截止， C3 上的電壓經(jīng)過(guò) VB、 IC 內(nèi)部電路和HO端加在 Q4 的柵極上，從而使得 Q4 導(dǎo)通。 AREF： A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存