【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 動(dòng)機(jī)換向不利，對(duì)過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓認(rèn)為零，相當(dāng)于 差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。這時(shí)，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(dá)到它的最 高值，對(duì)電機(jī)來說，相當(dāng)于全壓?jiǎn)?dòng)，當(dāng)然是不允許的。 另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障是機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來不便。 解決方案 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，就應(yīng)能保持電流基 本不變，使它不超過允許值。然而對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可你軋鋼機(jī)等，盡量縮短起、制動(dòng)工程的時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來，使得轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 如圖所示 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 5 圖 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)理想快速啟動(dòng)過程 Idl n Idm n Id 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 6 3 第三章 系統(tǒng)總設(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的直流電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)中采用 Atmega16 單片機(jī)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(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案論證與選擇 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 L298 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 L298 方便硬件設(shè)計(jì)，減少硬件帶來更大的麻煩。相對(duì)于 V—— M調(diào)速， 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。 顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路采用 LCM1602 顯示結(jié)果。 速度測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 速度測(cè)量采用光電編碼器進(jìn)行速度采集，經(jīng)過單片機(jī)中斷將采樣的數(shù)據(jù)換算。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 7 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) L298 設(shè)有感應(yīng)電流檢測(cè)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(cè)量非地端電位即可計(jì)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(jìn)行顯示，鍵盤控制電路。 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 8 ATMEGA控制電路 圖 avr 控制電路接線圖 電源及 ISP 圖 電源及 ISP 接線圖 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 9 主要電路單元的設(shè)計(jì) L298 芯片簡(jiǎn)介 L298 芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號(hào)影響。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的，相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電 阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫矗惯壿嬆茉诘蛪合鹿ぷ?。 L298 芯片是具有 15個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插封閉的集成芯片。 L298 驅(qū)動(dòng)接口 AVR 單片機(jī) ATMEGA16 輸出的脈寬調(diào)制 ( PWM) 信號(hào)需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī) ,本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是 L298 驅(qū)動(dòng)芯片 ,驅(qū)動(dòng)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(gè) PWM 周期內(nèi) ,電機(jī)的電樞只承受單極性的電壓 。雙極性工作方式是指在一個(gè) PWM 周期內(nèi)電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片 機(jī)的 PWM 輸出引腳 (PD4 或 PD5) 接L298 的 EnA 和 EnB 引腳 ,它控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速大小 。單片機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。為了增強(qiáng) L298 的驅(qū)動(dòng)能力 ,本調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì) L298 的兩路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了并聯(lián)使用 ,最大驅(qū)動(dòng)能力可以達(dá)到3A。 圖 L298 驅(qū)動(dòng)電路接線圖 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 10 . 控制邏輯 圖 電機(jī)控制邏輯圖 當(dāng)電機(jī)使能端 A為高電平時(shí)，如果輸入端 M1 Direction 引腳為高電平，三極管導(dǎo)通，輸入引腳 1為低電平而輸 入引腳 2為高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；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(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)電機(jī)使能端 A為低電平時(shí)，電機(jī)停止。 . L298 原理圖 圖 L298 原理圖 顯示電路設(shè)計(jì) 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)。 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 11 . 液晶模塊接線圖 圖 1602 接線圖 . 1062 接口說明 圖 1602 液晶接口說明 . 基本操作時(shí)序 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 12 鍵盤電路設(shè)計(jì) . 行列式鍵盤電路 圖 行列式鍵盤電路 . 按鍵抖動(dòng) 按鍵在閉合和斷開時(shí)，觸 點(diǎn)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象。 按 下 抖 動(dòng)釋 放 抖 動(dòng)理 想 波 形實(shí) 際 波 形穩(wěn) 定 閉 合＋ 5 V＋ 5 VAB無 抖 動(dòng)有 抖 動(dòng) 圖 按鍵抖動(dòng) . 去抖方法 硬件方法：設(shè)計(jì)一個(gè)濾波延時(shí)電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件電路來避開按鍵的抖動(dòng)時(shí)蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 13 間。 軟件方法：指編制一段時(shí)間大于 20ms 的延時(shí)程序，在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行這段延時(shí)子程序使鍵的前沿抖動(dòng)消失后檢測(cè)該鍵狀態(tài)，如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)該鍵已穩(wěn)定按下，否則無鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。同理，在檢測(cè)到按鍵釋放后，也同樣要延時(shí)一段時(shí)間，以消除后沿抖動(dòng)，然后轉(zhuǎn)入對(duì)該按鍵的處理。本設(shè)計(jì)采用軟件方法。 電機(jī)測(cè)速電路設(shè)計(jì) 傳感器接口電路用于對(duì)直流電機(jī)的輸出量進(jìn) 行采樣，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速信號(hào)通過與直流電機(jī)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(hào)獲取。 光電編碼器接線電路如圖 圖 光電測(cè)速 光電編碼器的工作原理： 光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)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(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖 1所示；通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 14 差 90186。的兩路脈沖信號(hào)。 根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式 、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。 . 絕對(duì)式編碼器 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)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可 讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字 碼。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。目前國(guó)內(nèi)已有 16 位的絕對(duì)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(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈 Z 相輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差 90 度的兩路脈沖信號(hào)，如圖 所示。 圖 增量式光電編碼盤 . 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào) 處理 將 A、 B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中，均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。編碼盤輸出 Z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。 編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過 D 觸發(fā)器的輸出信號(hào) Q來判斷。整形后的 A、 B兩相輸出信號(hào)分別接到觸發(fā)器的時(shí)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)。蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 15 由于 A、 B 兩相的脈沖相位相差 90 度，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)（假設(shè) A 相脈沖超前時(shí)為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)）， 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(shí) D觸發(fā)器的輸出端 Q輸出高電平。如圖 所示。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， 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(shí)觸發(fā)，這時(shí) Q輸出端輸出為低電平。由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 圖 光電編碼盤工作原理圖 電樞電流測(cè)量 . 測(cè)量方法 在 L298 的 1腳和 15 腳串接電阻可分別檢測(cè) L298A 路和 B路電流大小，由電路圖可知電阻一端接地只要測(cè)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(zhuǎn)換電路測(cè)量 SEA端電壓。 圖 L298 一腳和十五腳感應(yīng)電阻接線圖 蘭州交通大學(xué)博文學(xué)院（論文） 16 . AVR 數(shù)模轉(zhuǎn)換特點(diǎn) ATmega16有一個(gè) 10位的逐次逼近型 ADC。 ADC與一個(gè) 8通道的模擬多路復(fù)用器連接 ，能對(duì)來自端口 A 的 8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以 0V (GND) 為基準(zhǔn)。器件還支持 16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入 (ADC ADC0 與 ADC ADC2)有可編程增益級(jí)，在 A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大級(jí)。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。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(gè)采樣保持電路， 以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到 ADC 的電壓保持恒定。標(biāo)稱值為 的基準(zhǔn)電壓，以及 AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過在 AREF 引腳上加一個(gè)電