基于ATMega16-控制直流电动机.doc

1、 电动机控制期末论文 论文题目 ：基于 ATMega16-控制直流电 动 机 摘 要 本文主要介绍基于 ATMega16 单片机的直流电 动 机控制，众所周知的，直流电动 机在控制上较于步进电机有一定的优势的，其具有良好的起动、制动和调速性能，因此使得直流电动机得到广泛的应用。 关键词： ATMega16 单片机 直流电动机 正反转 控制原理 Abstract 电机控制期末论文 II This paper describes the DC motor control based on ATMega16 microcontroller, the well-known, DC motor cont

2、rol than in the stepper motor has some advantages, it has a good start, braking and speed control performance, the DC motor has been widely used in high-performance electric drive system. Keywords: ATMega microcontroller DC motor Control principle 目 录 摘 要 . I Abstract . I 第一章 绪 论 . 3 1.1 直流电机发展 . 3

3、1.2 直流电机的应用前景 . 1 1.3 直流电动机特点与构造 . 2 1.4 设计内容 . 2 第二章 ATMage16 单片机介绍 . 3 2.1 Atmega16 主要功能 . 3 第三 章 硬件系统设计 . 5 电机控制期末论文 III 3.1 直流电动机的控制原理 . 6 3.2 电机控制原理图 . 8 参考文献 . 9 附录： . 10 第一章 绪 论 1.1 直流 电机发展 1840 年 Wheatsone 开始提出和制作了略具雏形的直线电机。从那时至今，在160 多年的历史中，直线电机经历了三个时期。 （ 1） 1840 1955 年为探索实验时期； 从 1840 年到 19

4、55 年的 116 年期间，直线电机从设想到实验到部分实验性应用， 经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。自从 Wheatsone 提出和试制了直线电机以后，最早明确地提到直线电机文章的是 1890 年美国匹兹堡市的市长，在他所写的一篇文章中，首先明确地提到了直线电机以及它的专利。然而，由于当时的制电机控制期末论文 1 造技术、工程材料以及控制技术的水平，在经过断断续续 20 多年的顽强努力后，最终却未能获得成功。 在 1840 1955 年期间，是直线电机探索实验和部分实验应用时期，在直线电机与旋转电机的相互竞争中，由于直线电机的成本和效率方面没有能够战胜旋转电机，或者说，直线电机还没能找到唯

5、独它能解决 问题的领域，以及直线电机在设计方面也没有突破性的成功，所以直线电机在这一时期始终未能得到真正的应用。 （ 2） 1956 1970 年为开发应用时期； 自 1955 年以来，直线电机进入了全面的开发阶段，特别是该时期的控制技术和材料的惊人发展，更加助长了这种势头。在这段时期，申请直线机的专利件数也开始急速增加，该时期直线电机专利的增长率超过了所有其他技术领域的平均增长率。 到 1965 年以后，随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来，例如采用直线电机的 MHD 泵、自动绘图 仪、磁头定位驱动装置、电唱机、缝纫机、空气压缩机、输送装置等。 （ 3） 1

6、971 年至今为实用商品时期 ； 从 1971 年开始到目前的这个阶段，直线电机终于进入了独立的应用时代，在这个时代，各类直线电机的应用得到了迅速的推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。特别可喜的是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超 500km/h，接近了航空的飞行速度，且试验行程累计已达数十万千米。 1.2 直流 电机的 应用前景 直流电机（无刷直流电机）是近几年来小电机行业发展最快的品种之一，随着视听产品小、轻、薄化和家电产品的静音节能化以及豪华型轿车需求量增多，直流电动机需

7、要量迅速增加；直流电机用电子换向替代了电刷和换向器，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便、低噪音等优点。 电机控制期末论文 2 直流电机具有体积小、重量轻、效率高、调速性能好、转动惯量小、没有励磁损耗等问题，因此在各个领域具有广泛的应用前景。国内近年来在直流电机的设计及控制方面有很多的研究，但与国外成熟的产品相比还有很多地方值得提高，并且很多无刷直流电机生产 商都没有给出具体的控制方案，因此在无刷直流电机控制方面的研究是非常有必要的。 一方面，直流电机与其他异步电机相比具有明显的优势如反馈装置更简单、功率密度更高、输出转矩更大、并且电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥，因此无刷直流电机的应用和

8、研究 得到了前所未有的重视。据资料统计 表明直流电机的使用每年以较高比例增长。另一方面无刷直流电机与有刷直流电机相比有更多的优点如电机本体结构简单、运行时无火花、电磁干扰小，无噪声等，因此具备广泛应用前景。 1.3 直流电动机特点 与构造 直流电动机特点： (1)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 (2)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

9、直流电动机构造： 直流电动机分为两部分：定子与转子。记住定子与转子都是由那几部分构成的，注意：不要把换向极与换向器弄混淆了，记住他们两个的作用。 定子包括 ：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。 转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 1.4 设计内容 电机控制期末论文 3 本文设计主要对电机实现正反转功能，通过按键开关来控制电机正反转。以达到设计要求。 第二章 ATMage16 单片机介绍 2.1 Atmega16 主要功能 AVR 单片机主要有 ATtiny、 AT90 和 ATmega 三种系列，其结构和基本原理都相类似。本次设计所用到的 Atmega16L 芯片，在这里作为电

10、机控制的核心部件。它是一种具有 40 引脚的高性能、低功耗的 8 位微处理器。其 功能特性如下 4： (1) 8 位 CPU； (2) 先进的 RISC 结构： 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期， 32 个8 位通用工作寄存器，全静态工作； (3) 非易失性数据和程序存储器： 16K 字节的系统内可编程 Flash，擦写寿命可达到 10,000 次以上 。 具有独立锁定位的可选 Boot代码区，通过片上 Boot程序实现系统内编程； (4) 可通过 JTAG接口实现对 FLASH、 EEPROM的编程； 电机控制期末论文 4 (5) 32个可编程的 I/O引线， 40引脚 PD

11、IP封装； (6) 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8位定时器 / 计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16位定时器 / 计数器； (7) 片内 / 片外中断源； (8) 具有一个 10位的 AD转换器，能对来自端口 A的 8位单端输入电压进行采样。 (9) 工作电压： 2.7 5.5V。速度等级： 0 8MHz； AVR 单片机的主要特点如下： 1.片内集成可擦写 10000 次以上的 Flash 程序存储器。由于 AVR 采用 16 位的指令，所以一个程序存储器的存储单元为 16 位， AVR 的数据存储器还是以 8 个Bit(位 )为一个单元，因此 AVR 还是属于 8

12、位单片机。 2.高度保密 (LOCK)。可多次擦写的 FLASH 具有多重密码保护锁死 (LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成产品商品化，并且可多次更改程序 (产品升级 )而不必浪费 1C 或电路板，大大提高了产品的质量及竞争力。 3.超功能精简指令。具有 32 个通用作寄存器 (相当于 8051 中的 32 个累加器 )，克服了单一累加器数据处理造成的瓶须现象， 1284K 字节 SRAM 可灵活使用指令计算，并可用功能很强的 C 语言编程，易学、易写、易移植。 4.程序写入器件可以并行写入 (用编程器写入 )，也可使用串行在线编程 (ISP)方法下载写入，也 就是说不必将单片机芯片从系

13、统上拆下，拿到万用编程器上烧写，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧写等操作，方便产品升级，尤其是采用 SMD 封装，更利于产品微型化。 图 2-1 2.2 Atmega16 引脚功能 电机控制期末论文 5 Atmega16L双列直插式 (PDIP)引脚如图 2-1 引脚功能简述如下： A/VCC: 模拟 /数字电源 ; AREF: A/D转换参考电压； XTAL1/2：晶振； RESET： 复位； AREF： A/D转换参考电压； PAPD： 双向 I/O口； TXD： USART输出引脚； RXD： USART输入引脚 ； OC1A： PWM波形输出端； 综合以上所述，正因为 ATMEGA

14、16单片机的先进性，本设计选用该型号的单片机。 第三章 硬件系统设计 电机控制期末论文 6 经过对 ATmega16等的总体了解和掌握以及对各种元器件和电路图的分析和比较后，现在就进入硬件电路的设计。 图 3-1 直流电动机模型 3.1 直流 电动机的控制原理 图 3-1 是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极 N 和 S 之间， 装设一个可以绕 Z-Z轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈 abcd。这个 转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端 a 和 d 分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环 1 和 2 上。换向片 1 和 2 之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一

15、起转动。 A 和 B 是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。 当电刷 A 和 B 分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷 A 流入，而从电刷 B 流出。这时线圈中的电流方向是从 a 流向 b，再从 c 流向 d。我们知道，载流导体在 电机控制期末论文 7 图 3-2 换向器在直流电机中的作用 磁场中要受到电磁力，其方向由左手定 则来决定。当电枢在图 3-2（ a）所示的位置时，线圈 ab 边的电流从 a 流向 b，用 表示， cd 边的电流从 c 流向 d，用 表示。根据左手定则可以判断出， ab 边受力的方向是从右向左，而 cd 边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 当电枢转到使线圈的 ab 边从 N 极下面进入 S 极 ，而 cd 边从 S 极下面进入 N 极时，与线圈 a 端联接的换向片 1 跟电刷 B 接触，而与线圈 d 端联接的换向片 2 跟电刷 A 接触，如图 7-5（ b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从 d 流向 c，再从 b流向 a，从而保持在 N 极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。