【文章內容簡介】 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 為了解決反饋閉環(huán)調速系統(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。 如圖所示 蘭州交通大學博文學院（論文） 5 圖 直流電動機雙閉環(huán)理想快速啟動過程 Idl n Idm n Id 蘭州交通大學博文學院（論文） 6 3 第三章 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。 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調速， PWM調速有很多優(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。 蘭州交通大學博文學院（論文） 7 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 ： 圖 系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn) 蘭州交通大學博文學院（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 蘭州交通大學博文學院（論文） 9 主要電路單元的設計 L298 芯片簡介 L298 芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準 TTL 邏輯電平信號和驅動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電機和步進電機，具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的，相應外接線端可用來連接外設傳感電 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個引出腳的多瓦數(shù)直插封閉的集成芯片。 L298 驅動接口 AVR 單片機 ATMEGA16 輸出的脈寬調制 ( PWM) 信號需經(jīng)過功率放大才能驅動電機 ,本調速控制系統(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 ,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 周期內電機電樞兩端的電壓呈正負變化。調速控制系統(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。 圖 L298 驅動電路接線圖 蘭州交通大學博文學院（論文） 10 . 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。 . 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調速后穩(wěn)定的速度參數(shù)。 蘭州交通大學博文學院（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 . 基本操作時序 蘭州交通大學博文學院（論文） 12 鍵盤電路設計 . 行列式鍵盤電路 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蘭州交通大學博文學院（論文） 13 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 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蘭州交通大學博文學院（論文） 14 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 條碼道。目前國內已有 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 增量式光電編碼盤 . 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)。蘭州交通大學博文學院（論文） 15 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。 圖 光電編碼盤工作原理圖 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 蘭州交通大學博文學院（論文） 16 . 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 (ADC ADC0 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 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?；鶞孰妷嚎梢酝ㄟ^在 AREF 引腳上加一個電