1、 基于 AVR 的直流电动机双闭环调速系统 摘要： 在各类机电系统中 ,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能 ,直流调速技术已广泛运用于工业 领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制 (PWM) 直流调速技术 ,它具有 调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。文中采用 AVR 单片机 ATmega16 产生 PWM 信号、 L298 驱动、行列式键盘控制及 LCD 显示，并采取 转速、电流双闭环 PID 算法对直流电机进行调速控制的直流电机 PWM 调速系统。 关键词： AVR； 双闭环 ； PWM；直流电机调速 AVR-based dual-loop DC motor
2、speed regulation system Abstract: In various mechanical and electrical systems, due to DC motor has a good start, braking and speed control performance of DC drive technology has been widely used in industry, all aspects of the field of aerospace. The most commonly used technique is pulse-width modu
3、lated DC speed (PWM) DC converter technology, which has speed, high precision, fast response, wide speed range and low and the wear and tear. This paper presents a PWM generated by the AVR microcontroller ATmega16 signal, L298-driven, the determinant of the keyboard control and LCD display, and to t
4、ake speed, the current dual-loop PID algorithm to DC motor speed control of DC motor PWM speed control system. Keywords: AVR； Double-loop； PWM； DC Motor Speed Control 目 录 1 绪论 . 1 1.1 绪论 . 1 1.2 直流电动机简介 . 1 1.3 直流电机工作原理 . 2 1.4 直流电机的励磁 . 2 1.4.1 他励电机励磁 . 2 1.4.2 自励电机励磁 . 3 1.5 直流电机的优越性 . 3 1.6 直流电动机
5、应用 . 4 2 选题背景 . 4 2.1 问题的提出 . 4 2.2 解决方案 . 4 3 系统总设计方 案 . 5 3.1 设计思路 . 5 3.2 方案论证与设计 . 5 3.2.1 系统控制设计方案论证与选择 . 5 3.2.2 电机控制电路的设计 . 6 3.2.3 键盘电路的设计 . 6 3.2.4 显示电路的设计 . 6 3.2.5 速度测量电路的设计 . 6 3.2.6 电流检测电路设计 . 6 3.3 系统组成： . 6 3.4 ATMEGA 控制电路 . 7 3.5 电源及 ISP . 8 3.6 主要电路单元的设计 . 8 3.6.1 L298 驱动接口 . 8 3.6.
6、1.1. 控制逻辑 . 9 3.6.1.2. L298 原理图 . 10 3.6.2 显示 电路设计 . 10 3.6.2.1. 液晶模块接线图 . 10 3.6.2.2. 1062 接口说明 . 11 3.6.2.3. 基本操作时序 . 11 3.6.3 键盘电路设计 . 11 3.6.3.1. 行列式键盘电路 . 11 3.6.3.2. 按键抖动 . 12 3.6.3.3. 去抖方法 . 12 3.6.4 电机测速电路设计 . 12 3.6.5 光电编码器的工作原理： . 13 3.6.5.1. 绝对式编码器 . 13 3.6.5.2. 增量式编码器 . 14 3.6.5.3. 转速转向信
7、号处理 . 14 3.6.6 电枢电流测量 . 15 3.6.6.1. 测量方法 . 15 3.6.6.2. AVR 数模转换特点 . 15 4 系统软件设计与实现 . 16 4.1 PWM 软件设计 . 18 4.1.1 产生 PWM 信号 4 种方法 . 18 4.1.2 AVR 单片机输出 PWM 的程序 . 19 4.2 转向与速度检测 . 19 4.2.1 测速原理 . 19 4.2.2 脉冲数字（ P/D）转换方法 . 20 4.2.3 M/T 法测速软件设计 . 20 4.2.4 M/T 法数字测速软件图 . 21 4.2.5 转向的判断 . 23 4.3 电流检测原理 . 23
8、 4.3.1 AD 转换程序 . 23 4.4 调节器 的设计 . 24 4.4.1 电流调节器的设计 . 24 4.4.2 转速调节器的设计 . 27 4.5 PID 程序流程图： . 29 5 系统调试结果 . 30 6 总结 . 31 致谢 . 32 参考文献 . 33 - 1 - 基于 AVR 的直流电动机双闭环调速系统 专业班级 ： 06 自动化 姓名 ：张旺宝 指导教师： 宁宇 副教授 1 绪论 1.1 绪论 当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部
9、分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑 调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，用微机硬 件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的控制方法，本文 在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速
10、度快的特点，采取软件和硬 件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。 1.2 直流电动机简介 直流电动机是将直流电能转换成机械能的装置。在磁场中放如通有电流的导体就会产生磁感应效应。直流电动机是应用磁感应原理将电能转换为机械能的装置，其转子和定子分别由绕组和永久磁铁组成。直流电动机具有调速性能较好和起动转矩较大等优点。直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制 (PWM) 直流调速技术 ,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。 - 2 - 1.3 直流电机工作原理 在直流电动机中，外加电压并不是直 接加在线圈两端，而是通过电刷
11、 B1、B2 和换向器再加到线圈上。由于电刷固定不动，对于图中的情况，电流 i 总是从电刷 B1 流人，从电刷 B2 流出。所以当转子旋转时， A、 x 两个导体轮流交替地处于 N 极和 s 极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，使电动机持续旋转。此时换向器起到将外电路的直流改变为线圈内交流的“逆变”作用。 图 1.1 直流电机模型 直流电动机的电磁转矩常用下式表示 T=KTIa 式中 KT 电动机结构系数； 每个磁 极下的磁通 (wb)； Ia 电枢电流 (A)。 1.4 直流电机的励磁 直流电机的主磁场由励磁线圈通人直流电流产生，只有
12、微型直流电机才采用永久磁铁。励磁方式是指励磁线圈的供电方式。直流电机的运行性能与励磁方式有密切的关系。按励磁供电方式不同，直流电机可分为他励和自励两大类。 1.4.1 他励电机 励磁 他励电机的励磁电流由独立的直流电源供电，其大小与电枢两端电压无- 3 - 关，如图 2 8a 所示，有较好的运行性能。 1.4.2 自励电机 励磁 自励电机的励磁绕组与电枢绕组连接，按连接方式不同又分为：并励、串励、复励三种，如图所示。 图 1.2 直流电动机励磁 并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，因其励磁电流受电机端电压波动的影响故其运行性能略次于他励式电机。 串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢电
13、流相等。其主磁场的强弱与负载电流大小有直接关系，所以仅对电机有特殊性能要求时才采用。 复励电机的同一磁极有两套励磁绕组，一套绕组与电枢绕组并联 (或其他电源供给 )，另一套绕组与电枢绕组串联。 本文 重点放在直流电动机运行特性和应用上。 1.5 直流电机的优越性 直流电机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。由于直流电机具有良好的线性调速特性、 控制简单、效率高及优异的动态特性，长期以来一直占据着调速控制领域的统治地位。近年来，随着交流变频电机及无刷电 机的调速控制技术的不断成熟，直流电机正面临着巨大的挑战。但在很多 调速控制场合，直流电机仍是最佳选择。 - 4 - 1.6 直流电动机
14、应用 在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机、跑步机等应用直流电机已经十分普遍。在航空、军事设施应用领域里的雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等等。在工业控制领域，机器人关节驱动和自动生产线、电子产品加工装备上的各种中小功率的驱动等。 2 选题背景 2.1 问题的提出 众所周知，直流电 动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压认为零，相当于 差不多是其稳态工作值的 1+K倍。这时，由于放大器和变换器的
15、惯性都很小，电枢电压 Ud 一下子就达到它的最高值，对电机来说，相当于全压启动，当然是不允许的。 另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障是机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到 坚硬的石块等等。由于闭环系统 静特性很硬，若无限流环节， 电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。 2.2 解决方案 为了为了解决反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节 。 根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，就应能保持电流基本不变，使它不超过允许
16、值。 然而对于经常正、反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可你轧钢机等，尽量缩短起、制动工程的时间是提高生产效率的重要因素。为此 ，在电机最大允许电流和转矩受 限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使得转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。 - 5 - 如图所示 图 2.1 直流电动机双闭环 理想快速启动过程 3 系统总设计方案 3.1 设计思路 题目要求设计一个基于 AVR 的直流电动机双闭环调速系统。系统可以分为控制部分 、 AD 采样部分 和显示部分。设计中采用
17、Atmega16 单片机为主控制核心，行列式键盘为控制 部分， 利用 Atmega16 的自带的 AD 作为 AD 采样电路，显示部分采用液晶 1602 显示。 3.2 方案论证与设计 3.2.1 系统控制设计方案论证与选择 方案一：采用 DSP 芯片来产生 PWM 信号来控制电机转动，同时和单片机结合来实现 PID 算法，实现实时控制。 方案二：直接采用 AVR 单片机由软件产生脉宽调制信号，经过 PID 算法来实现闭环控制。 由于系统要求比较简单，所以采用 Atmega16 单片机来对电机进行控制。 Idl n IdmnId- 6 - 3.2.2 电机控制电路的设计 方案一：采用晶闸管 电
18、动机控制系统（ V-M）进行控制。 方案二：采用专用电机控制集成芯片 L298 来 控制电机转动，该方案电路简单，可靠。 方案三：直接采用 4 个三极管搭成桥式电路来控制电机的转动。 本设计采用方案二，采用芯片 L298 方便硬件设计，减少硬件带来更大的麻烦。相对于 V M 调速， PWM 调速有很多优点 ，比如 PWM 开关频率高、电流容易连续、谐波少、低速性能好、稳速精度高、调速范围宽等。 3.2.3 键盘电路的设计 由于系统要求控制功能少，所以直接采用行列式键盘进行控制 。 3.2.4 显示电路的设计 显示电路采用 LCM1602 显示结果。 3.2.5 速度测量电路的设计 速度测量采用光电编码器进行速度采集，经过单片机中断将采样的数据换算。 3.2.6 电流检测电路设计 L298 设有感应电流检测引脚 1 和引脚 15， 在 1 脚和地之间串入小于 0.5 欧姆的电阻，通过测量非地端电位即可计算出通过电阻电流即 L298A 路电流。详见本文 4.3.6 部分。 3.3 系统组成： 经过比较与论证，最终确定的系统组成框图如下，其中采用 Atmega16 为主控制芯片，采用 1602 进行显示，键盘控制电路。 系统控制结构如图 3.1： - 7 - 图 3.1 系统硬件的设计与实现 3.4 ATMEGA 控制电路 图 3.2 avr 控制电路接线图
