【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。 直流電機(jī)勵(lì)磁 直流電機(jī)的主磁場(chǎng)由勵(lì)磁線圈通人直流電流產(chǎn)生，只有微型直流電機(jī)才采用永久磁鐵。勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁線圈的供電方式。直流電機(jī)的運(yùn)行性能與勵(lì)磁 方式有密切的關(guān)系。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。 他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁 他勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電流由獨(dú)立的直流電源供電，其大小與電樞兩端電壓無關(guān)，如圖 所示，有較好的運(yùn)行性能。 自勵(lì)電動(dòng)機(jī) 自勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接，按連接方式不同又分為：并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)三種，如圖所示。 圖 并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，因其勵(lì)磁電流受電機(jī)端電壓波動(dòng)的影響故其運(yùn)行性能略次于他勵(lì)式電機(jī)。 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。其主磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與負(fù)載電流大小有直接關(guān)系，所以僅對(duì)電機(jī)有特殊性能要求時(shí)才采用。 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)。 直流電機(jī)的優(yōu)越性 直流電機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。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，長期以來一直占據(jù)著調(diào)速控制領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。近年來，隨著交流變頻電機(jī)及無刷電機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)的不斷成熟，直流電機(jī)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。但在很多調(diào)速控制場(chǎng)合，直流電機(jī)仍是最佳選擇。 直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用 在家用電器中的空調(diào)器、電冰箱、風(fēng)扇、洗衣機(jī)、跑步機(jī)等應(yīng)用直流電機(jī)已經(jīng)十分普遍。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。在工業(yè)控制領(lǐng)域，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)生產(chǎn)線、電子產(chǎn)品加工裝備上的各種中小功率的驅(qū)動(dòng)等。 8 第二章 問題的提出和解決方案 問題的提出 在 實(shí)際的生產(chǎn)過程中，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)過程帶來很嚴(yán)重的后果。 解決方案 為 使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速能在給定誤差范圍內(nèi)自動(dòng)達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，特設(shè)計(jì)一個(gè)基于 AVR 單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)。設(shè)計(jì)思路在第三章中詳細(xì)論證。 9 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)思路 題目要求設(shè)計(jì)一個(gè)基于 AVR 基單片機(jī) 小型 直流電機(jī) PID 調(diào)速控制系統(tǒng) ， 設(shè)計(jì)要求如下： 1．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，電路板工作穩(wěn)定可靠； 2．能顯示直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速顯示分辨力為 ； 3．直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍為電機(jī)正常轉(zhuǎn)速的177。 80%左右，速度設(shè)定值 無變化時(shí)控制誤差≤ 5%，勻變速時(shí)間可調(diào)； 4．在外負(fù)載變化時(shí)能調(diào)整轉(zhuǎn)速使之勻變速接近于設(shè)定值； 5．單片機(jī)的程序代碼采用 C 語言實(shí)現(xiàn)； 基于第二章中提出的問題解決方案和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求， 設(shè)計(jì)思路如下： 本次設(shè)計(jì)主要是利用 PID 控制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以 ATmega16 單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生占空比受 PID算法控制的 PWM脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，同時(shí)，利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)化成脈沖頻率反饋到單片機(jī) 中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) ，達(dá)到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。在系統(tǒng)中采用 128x64LCD 顯示器作為顯示部件，通 過 4x4 鍵盤設(shè)置 P、 I、 D、 V 四個(gè)參數(shù)和正反轉(zhuǎn)控制，啟動(dòng)后通過顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。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。軟件部分采用 C 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)為：可移植性強(qiáng)、算法容易、修改及調(diào)試方便、易讀等。 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)速無靜差調(diào)節(jié)的目的。 （ 2）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開， 使系統(tǒng)更加安全可靠。 （ 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。 （ 4）利用 Proteus 軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而進(jìn)一步驗(yàn)證電路和 程序的正確性，避免不必要損失。 （ 5）采用數(shù)字 PID 算法，利用軟件實(shí)現(xiàn)控制，具有更靈活、更節(jié)約硬件等優(yōu)點(diǎn)。 方案論證與設(shè)計(jì) 方案一：采用 DSP 芯片來產(chǎn)生 PWM 信號(hào)來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)和單片機(jī)結(jié)合來實(shí)現(xiàn) PID 算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 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 PID 算法來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 由于系統(tǒng)要求比較簡(jiǎn)單，所以采用 Atmega16 單片機(jī)來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 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。 方案二：采用專用電機(jī)控制集成芯片 RI2110 來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該方案電路簡(jiǎn)單，可靠。 方案三：直接采用 4個(gè)三極管搭成橋式電路來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)采用方案二，采用芯片 RI2110 方便硬件設(shè)計(jì)，減少硬件帶來更大的麻煩。 PWM 調(diào)速有很多優(yōu)點(diǎn)，比如 PWM 開關(guān)頻率高、電流容易連續(xù)、諧波少、低速性能好、穩(wěn)速精度高、調(diào)速范圍 寬等。 鍵盤電路的設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)要求控制功能少，所以直接采用行列式鍵盤進(jìn)行控制。 11 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路采用 128x64LCD 顯示結(jié)果。 速度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 速度測(cè)量采用光電編碼器進(jìn)行速度采集， 利用光電傳感器將電機(jī)速度轉(zhuǎn)化成脈沖頻率反饋到單片機(jī)中，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 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。圖中 控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤和顯示器用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過鍵盤將需要設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)輸入到單片機(jī)中，并且 通過控制器 顯示到顯示器上。在運(yùn)行過程中控制器產(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。 圖 系統(tǒng)方案框圖 系統(tǒng)硬件分配 采用 ATmega16 單片機(jī)作為核心器件，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置， IR2110 12 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，利用 128x64LCD 顯示器和 4x4 鍵盤作為人機(jī)接口。 圖 系統(tǒng)硬件分配圖 ATmega16 介紹 ATmega16 簡(jiǎn)介 ATmega16是基于增強(qiáng)的 AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。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 有如下特點(diǎn) :16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線， 32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口， 8路 10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益 (TQFP 封裝 ) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及六 個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 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。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用 Flash存儲(chǔ)區(qū) (ApplicationFlash Memory)。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。 通過將 8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括： C 語言 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。 ATmega16 引腳及功能 VCC：電源正 GND：電源地 端口 A： (PA7..PA0) 端口 A：做為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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。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。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。 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。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。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。在復(fù)位過程中，即使 14 系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 B 處于高阻狀態(tài)。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。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。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。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。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。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 . 端口 D(PD7..PD0)：端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 . RESET ：復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時(shí)間見 P36Table 15。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。 XTAL2：反向振蕩放 大器的輸出端。 AVCC： AVCC是端口 A與 A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC連接。使用 ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。 AREF： A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 15 引腳圖 圖 ATmega16 引腳圖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 工作所需的時(shí)序又時(shí)鐘產(chǎn)生， ATmega16 單片機(jī)可以采用兩種時(shí)鐘信號(hào)，一種是使用外部石英振蕩器 ，如圖 （ a）所示 ，一種是選用外部時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘源 如圖 （ b）所示 。 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 芯片是美國國際整流器公司利用自身獨(dú)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(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。 IR2110 的應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行成本。 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。 下