【正文】 電路 ................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 PWM 軟件設(shè)計(jì) ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) ............................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) ............................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。本課題正是以此為出發(fā)點(diǎn)，利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)和控制。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心 — 單片機(jī)，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng) I/O 功能等方向發(fā)展。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有體積小、功能全、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)合理、指令豐富、控制功能強(qiáng)、 造價(jià)低等 眾多優(yōu)點(diǎn) 。本文對(duì)基于微機(jī)控制的雙閉環(huán)可逆直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的控制方法， 本文 重點(diǎn)對(duì)控制部分展開(kāi)研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的 2 探討等內(nèi) 容。 直流電機(jī)常用調(diào)速方法以及調(diào)速發(fā)展方向 常用的控制直流電動(dòng)機(jī)有以下幾種 ： 一． 最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定 的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電 通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男?轉(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。 四 .1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在 10000 以上，比機(jī)組 (放大倍數(shù) 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (放大倍數(shù) 1000)高 10 倍 ， 在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒級(jí)。同時(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及 3 低成本。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開(kāi)關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動(dòng)控 制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)控制 裝置 也 不斷向前發(fā)展。近年來(lái)，一些先進(jìn)國(guó)家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門(mén)子公司的 SIMOREG K6RA2 ABB 公司的 PAD/PSD 等等。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對(duì)太陽(yáng)得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，各種光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流。其中，脈寬調(diào)制（ PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。由于有微處理器和傳感器作為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 在那些對(duì)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場(chǎng)合（如數(shù)控機(jī) 床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)，傳真機(jī)等設(shè)備中，要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。 直流調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號(hào)、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺(tái)附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺(tái)控制器甚至可以僅通過(guò)參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對(duì)不同類型的被控對(duì)象進(jìn)行控制 ，強(qiáng)大的通訊功能使它易和 PLC 等各種器件通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過(guò)程系統(tǒng)，而且具有操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長(zhǎng)期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。我國(guó)從 20世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。我國(guó)關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有 :綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償 PID 控制 PID 算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。因此我國(guó)直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡(jiǎn)稱PWM）方向發(fā)展。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。 5 直流電動(dòng)機(jī)介紹 直流電機(jī)簡(jiǎn)介 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。直流電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，其轉(zhuǎn)子和定子分別由繞組和永久磁鐵組成。 直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。 直流電機(jī)工作原理 在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并不是直接加在線圈兩端，而是通過(guò)電刷 BB2 和換向器再加到線圈上。所以當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)， A、 x 兩個(gè)導(dǎo)體輪流交替地處于 N 極和 s極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時(shí)改變方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，使 電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 圖 直流電機(jī)模型 直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示 ： 6 T=KTφ Ia 式中 KT—— 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)； φ —— 每個(gè)磁極下的磁通 (wb)； Ia—— 電樞電流 (A)。勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁線圈的供電方式。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。 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。 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。 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)。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(zhǎng)期以來(lái)一直占據(jù)著調(diào)速控制領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。但在很多調(diào)速控制場(chǎng)合，直流電機(jī)仍是最佳選擇。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。 8 第二章 問(wèn)題的提出和解決方案 問(wèn)題的提出 在 實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)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(lái)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(guò)程帶來(lái)很嚴(yán)重的后果。設(shè)計(jì)思路在第三章中詳細(xì)論證。 80%左右，速度設(shè)定值 無(wú)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)； 基于第二章中提出的問(wèn)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(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。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。 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(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的。 （ 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。 （ 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(guò) PID 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)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。 方案三：直接采用 4個(gè)三極管搭成橋式電路來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 PWM 調(diào)速有很多優(yōu)點(diǎn)，比如 PWM 開(kāi)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。 11 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路采用 128x64LCD 顯示結(jié)果。 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。在運(yùn)行過(guò)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(guò)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)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。 ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。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。 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(kāi)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。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過(guò) ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。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。ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括： C 語(yǔ)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。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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。 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。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。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。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。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。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。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門(mén)限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門(mén)限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL2：反向振蕩放 大器的輸出端。不使用 ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC連接。 AREF： A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 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(guó)國(guó)際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無(wú)閂鎖CMOS 技術(shù)，與 1990 年前后開(kāi)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