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正文內(nèi)容

畢業(yè)設計論文精品]基于avr的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(編輯修改稿)

2024-12-13 20:52 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 裝備上的各種中小功率的驅動等。 2 選題背景 問題的提出 眾所周知,直流電 動機全壓啟動時,如果沒有限流措施,會產(chǎn)生很大的沖擊電流,這不僅對電動機換向不利,對過載能力低的電力電子器件來說,更是不能允許的。采用轉速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時,由于慣性,轉速不可能立即建立起來,反饋電壓認為零,相當于 差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K倍。這時,由于放大器和變換器的慣性都很小,電樞電壓 Ud 一下子就達到它的最高值,對電機來說,相當于全壓啟動,當然是不允許的。 另外,有些生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉的情況,例如,由于故障是機械軸被卡住,或挖土機運行時碰到 堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng) 靜特性很硬,若無限流環(huán)節(jié), 電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護,一過載就跳閘,也會給正常工作帶來不便。 解決方案 為了為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動和堵轉時電流過大的問題,系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié) 。 根據(jù)反饋控制原理,要維持哪一個物理量基本不變,就應該引入那個物理量的負反饋。那么,引入電流負反饋,就應能保持電流基本不變,使它不超過允許值。 然而對于經(jīng)常正、反轉運行的調(diào)速系統(tǒng),例如龍門刨床、可你軋鋼機等,盡量縮短起、制動工程的時間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此 ,在電機最大允許電流和轉矩受 限制的條件下,應該充分利用電機的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動,到達穩(wěn)態(tài)轉速時,立即讓電流降下來,使得轉矩馬上與負載相平衡,從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。 5 如圖所示 圖 直流電動機雙閉環(huán) 理想快速啟動過程 3 系統(tǒng)總設計方案 設計思路 題目要求設計一個基于 AVR 的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)可以分為控制部分 、 AD 采樣部分 和顯示部分。設計中采用 Atmega16 單片機為主控制核心,行列式鍵盤為控制 部分, 利用 Atmega16 的自帶的 AD 作為 AD 采樣電路,顯示部分采用液晶 1602 顯示。 方案論證與設計 系統(tǒng)控制設計方案論證與選擇 方案一:采用 DSP 芯片來產(chǎn)生 PWM 信號來控制電機轉動,同時和單片機結合來實現(xiàn) PID 算法,實現(xiàn)實時控制。 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。 由于系統(tǒng)要求比較簡單,所以采用 Atmega16 單片機來對電機進行控制。 Idl n Idm n Id 6 電機控制電路的設計 方案一:采用晶閘管 —— 電動機控制系統(tǒng)( VM)進行控制。 方案二:采用專用電機控制集成芯片 L298 來 控制電機轉動,該方案電路簡單,可靠。 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動。 本設計采用方案二,采用芯片 L298 方便硬件設計,減少硬件帶來更大的麻煩。相對于 V—— M 調(diào)速, PWM 調(diào)速有很多優(yōu)點 ,比如 PWM 開關頻率高、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。 鍵盤電路的設計 由于系統(tǒng)要求控制功能少,所以直接采用行列式鍵盤進行控制 。 顯示電路的設計 顯示電路采用 LCM1602 顯示結果。 速度測量電路的設計 速度測量采用光電編碼器進行速度采集,經(jīng)過單片機中斷將采樣的數(shù)據(jù)換算。 電流檢測電路設計 L298 設有感應電流檢測引腳 1 和引腳 15, 在 1 腳和地之間串入小于 歐姆的電阻,通過測量非地端電位即可計算出通過電阻電流即 L298A 路電流。詳見本文 部分。 系統(tǒng)組成: 經(jīng)過比較與論證,最終確定的系統(tǒng)組成框圖如下,其中采用 Atmega16 為主控制芯片,采用 1602 進行顯示,鍵盤控制電路。 系統(tǒng)控制結構如圖 : 7 圖 系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn) ATMEGA 控制電路 圖 avr 控制電路接線圖 8 電源及 ISP 圖 電源及 ISP 接線圖 主要電路單元的設計 L298 驅動接口 AVR 單片機 ATMEGA16 輸出的脈寬調(diào)制 ( PWM) 信號需經(jīng)過功率放大才能驅動電機 ,本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是 L298 驅動芯片 ,驅動接口電路如圖 所示。 L298 有單極性、雙極性 2 種工作方式。單極性工作方式指的是在一個 PWM 周期內(nèi) ,電機的電樞只承受單極性的電壓 。雙極性工作方式是指在一個 PWM 周期內(nèi)電機電樞兩端的電壓呈正負變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片機的 PWM 輸出引腳 (PD4 或 PD5) 接 L298 的 EnA 和 EnB 引腳 ,它控制著電機轉速大小 。單片 機的 PD6 或 PD7 經(jīng)過一定的邏輯電路接到 L298 的 IN1~IN4 輸入引腳上 ,它控制電機的轉動方向。為了增強 L298 的驅動能力 ,本調(diào)速控制系統(tǒng)對 L298 的兩路驅動進行了并聯(lián)使用 ,最大驅動能力可以達到 3A。 9 圖 L298 驅動電路 接線圖 . 控制邏輯 圖 電機控制邏輯圖 當電機使能端 A 為高電平時,如果輸入端 M1 Direction 引腳為高電平,三極管導通,輸入引腳 1 為低電平而輸入引腳 2 為高電平,電機反轉;如果輸入端M1 Direction 引腳為低電平,三極管截止,輸入引腳 2 為低電 平而輸入引腳 1 為高電平,電機正轉;當電機使能端 A 為低電平時,電機停止。 10 . L298 原理圖 圖 L298 原理圖 顯示電路設計 顯示給定的速度參數(shù)和經(jīng)過 PID 調(diào)速后穩(wěn)定的速度參數(shù)。 . 液晶模塊接線圖 圖 1602 接線圖 11 . 1062 接口說明 圖 1602 液晶接口說明 . 基本操作時序 鍵盤電路設計 . 行列式鍵盤電路 12 圖 行列式鍵盤電路 . 按鍵抖動 按鍵在閉合和斷開時,觸點會存在抖動現(xiàn)象 。 按 下 抖 動釋 放 抖 動理 想 波 形實 際 波 形穩(wěn) 定 閉 合+ 5 V+ 5 VAB無 抖 動有 抖 動 圖 按鍵抖動 . 去抖方法 硬件方法:設計一個濾波延時電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件 電路來避開按鍵的抖動時間。 軟件方法:指編制一段時間大于 20ms 的延時程序,在第一次檢測到有鍵按下時,執(zhí)行這段延時子程序使鍵的前沿抖動消失后檢測該鍵狀態(tài),如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平,則確認該鍵已穩(wěn)定按下,否則無鍵按下,從而消除了抖動的影響。同理,在檢測到按鍵釋放后,也同樣要延時一段時間,以消除后沿抖動,然后轉入對該按鍵的處理。本設計采用軟件方法。 電機測速電路設計 傳感器接口電路用于對直流電機的輸出量進行采樣,以實現(xiàn)閉環(huán)控制。轉速信號通過與直流電機同軸連接的增量式光電編碼器輸出的相差 90 度相角的兩路方波信號 獲取。 光電編碼器接線 電路如圖 13 圖 光電測速 光電編碼器的工作原理: 光電編碼器,是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器, 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸,電動機旋轉時,光柵盤與電動機同速旋轉,經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號,其原理示意圖如圖 1所示;通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉速。此外,為判斷旋 轉方向,碼盤還可提供相位相差 90186。的兩路脈沖信號。 根據(jù)檢測原理,編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式,可分為增量式、絕對式以及混合式三種。 . 絕對式編碼器 絕對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)目是雙倍關系,碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù),在碼盤的一側是光源,另一側對應每一碼道有一光敏元件;當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據(jù)受光照與否轉換出相應的電平信號,形成二進制數(shù)。這種編碼器的特點是不要計數(shù)器,在轉軸的任意位置都可 讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼。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 14 條碼道。目前國內(nèi)已有 16位的絕對編碼器產(chǎn)品。 . 增量式編碼器 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,在圓盤兩側安放發(fā)光元件和光敏元件。當圓盤隨電機旋轉時,光敏元件接收的光通量隨透光線條同步變化,光敏元件輸出波形經(jīng)過整理后變?yōu)槊}沖。碼盤上有相標志,每轉一圈 Z 相輸出一個脈沖。此外,為判斷旋轉方向,碼盤還可提供相位相差 90 度的兩路脈沖信號,如圖 所示。 圖 . 轉速 轉向信號處理 將 A、 B 兩相脈沖中任何一相輸入計數(shù)器中,均可使計數(shù)器進行計數(shù)。編碼盤輸出 Z 相脈沖用于復位計數(shù)器,每轉一圈 復位一次計數(shù)器。 編碼盤的旋轉方向可以通過 D 觸發(fā)器的輸出信號 Q 來判斷。整形后的 A、 B兩相輸出信號分別接到觸發(fā)器的時鐘端和 D輸入端, D觸發(fā)器的 CLK 端在 A 相脈沖的上升沿觸發(fā)。由于 A、 B 兩相的脈沖相位相差 90 度,當電機正轉時(假設 A相脈沖超前時為正轉,反之為反轉), A 相脈沖超前 B 相脈沖 90 度,觸發(fā)器總是在 B脈沖為高電平觸發(fā),這時 D觸發(fā)器的輸出端 Q輸出高電平。如圖 所示。當電機反轉時, B 相脈沖超前 A 相脈沖 90 度,則 D 觸發(fā)器總是在 B 脈沖為低電平時觸發(fā),這時 Q 輸出端輸出為低電平。由此確定電機的轉動方向。 15 圖 電樞電流測量 . 測量方法 在 L298 的 1 腳和 15 腳串接電阻可分別檢測 L298A 路和 B 路電流大小,由電路圖可知電阻一端接地只要測量另一端電壓即可算出電路電流。本文直接采用avr16 自帶的 ad 轉換電路測量 SEA 端 電壓。 圖 L298一腳和十五腳感應電阻接線圖 . AVR 數(shù)模轉換特點 ATmega16 有一個 10 位的逐次逼近型 ADC。 ADC 與一個 8 通道的模擬多路復用器連接,能對來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V (GND) 為基準。器件還支持 16 路差分 電壓輸入組合。兩路差分輸入 (ADCADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級,在 A/D 轉換前給差分輸入電壓提供 16 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端 (ADC1), 而其他任何 ADC 輸入可做為正輸入端。如果使用 1x 或 10x 增益,可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益,可得到 7 位分辨率。 ADC 包括一個采樣保持電路,以確保在轉換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。標稱值為 的基準電壓,以及 AVCC,都位于器件之內(nèi)。 基準電壓可以通過在AREF 引腳上加一個電容進行解耦,以更好地抑制噪聲。 4 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) 軟件編寫主要包括 PWM 波形的產(chǎn)生,電機轉速的實時檢測 、電機電樞電流實時測量 , PID 控制算法,鍵盤掃描和液晶顯示程序。 如
點擊復制文檔內(nèi)容
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