【正文】 R2110 控制邏輯圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主電路圖 根據(jù)以上原理，我們可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓的前提是低壓側(cè)必須有開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充足的通路。 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。 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 。使用 ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。 AVCC： AVCC是端口 A與 A/D轉(zhuǎn)換器的電源。 XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端。門(mén)限時(shí)間見(jiàn) P36Table 15。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。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。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。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位過(guò)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)。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。 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。 通過(guò)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。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)。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。 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(xiě)的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線(xiàn)， 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(mén)狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及六 個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。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(fǎng)問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。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。 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(pán)作為人機(jī)接口。圖中 控制器模塊為系統(tǒng)的核心部件，鍵盤(pán)和顯示器用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，其中通過(guò)鍵盤(pán)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(guò)控制器 顯示到顯示器上。 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) 。 鍵盤(pán)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(pán)進(jìn)行控制。 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(lái)更大的麻煩。 方案二：采用專(zhuān)用電機(jī)控制集成芯片 RI2110 來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該方案電路簡(jiǎn)單，可靠。 由于系統(tǒng)要求比較簡(jiǎn)單，所以采用 Atmega16 單片機(jī)來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 方案論證與設(shè)計(jì) 方案一：采用 DSP 芯片來(lái)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)和單片機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 算法，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。 （ 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。 （ 2）使用光電耦合器將主電路和控制電路利用光隔開(kāi)， 使系統(tǒng)更加安全可靠。軟件部分采用 C 語(yǔ)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。在系統(tǒng)中采用 128x64LCD 顯示器作為顯示部件，通 過(guò) 4x4 鍵盤(pán)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(guò)顯示部件了解電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間。 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。 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)。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(xiàn)、電子產(chǎn)品加工裝備上的各種中小功率的驅(qū)動(dòng)等。 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。近年來(lái)，隨著交流變頻電機(jī)及無(wú)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)。 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)。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?xún)H對(duì)電機(jī)有特殊性能要求時(shí)才采用。 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)。 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(wú)關(guān)，如圖 所示，有較好的運(yùn)行性能。直流電機(jī)的運(yùn)行性能與勵(lì)磁 方式有密切的關(guān)系。 直流電機(jī)勵(lì)磁 直流電機(jī)的主磁場(chǎng)由勵(lì)磁線(xiàn)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。此時(shí)換向器起到將外電路的直流改變?yōu)榫€(xiàn)圈內(nèi)交流的“逆變”作用。由于電刷固定不動(dòng)，對(duì)于圖中的情況，電流 i 總是從電刷 B1 流人，從電刷 B2 流出。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制 (PWM) 直流調(diào)速技術(shù) ,它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點(diǎn)。在磁場(chǎng)中放如通有電流的導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)效應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)許多大專(zhuān)院校、科研單位和廠(chǎng)家也都在開(kāi)發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。我國(guó)現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展， IGBT(絕緣柵雙極型晶體管 )具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。國(guó)外主要電氣公司如瑞典的 ABB 公司、德國(guó)的西門(mén)子公司、 AEG 公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國(guó)的 GE 公司、西屋公司等，均已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào) 速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法， 4 開(kāi)發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)，如永磁直流電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)等。功 率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。其中，電動(dòng)機(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺(tái)，而采用微處理器，通用計(jì)算機(jī)， FPGA/CPLD、 DSP 控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻 的變化。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化的需求也越來(lái)越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷 擴(kuò)大。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。 以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流 調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。從 20世紀(jì) 80 年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不 僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn)維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。 三 .自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。 二 .三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī) (也稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)變流組 )，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍 (十比一至數(shù)十比一 )較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。這種方法簡(jiǎn)單易行設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。 微機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化 等方面， 特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。 單片微 型計(jì)算機(jī)的誕生是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑。 主流程圖 .......................................................................................................... 31 系統(tǒng)主程序（包含 PWM 波產(chǎn)生程序） ............................................................. 31 鍵盤(pán)程序流程 ................................................................................................... 39 鍵盤(pán)程序 .......................................................................................................... 40 定時(shí)器程序流程 ................................................................................................ 42 定時(shí)器程序 ....................................................................................................... 42 ................................................................................................... 44 顯示器程序 ..................................................................................................... 45 定時(shí)器程序 ..................................................................................................... 47 第五章 系統(tǒng)仿真 ....................................................................................................... 49 第六章 結(jié)論 .............................................