資源簡(jiǎn)介

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陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）
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基于AVR的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)
基于AVR的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)
摘 要
在各類機(jī)電系統(tǒng)中,由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能,直流調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面。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)。文中采用AVR 單片機(jī)ATmega16 產(chǎn)生PWM信號(hào)、L298 驅(qū)動(dòng)、行列式鍵盤(pán)控制及LCD 顯示，并采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)PID算法對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的直流電機(jī)PWM 調(diào)速系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：AVR，雙閉環(huán)，PWM，直流電機(jī)調(diào)速
AVR-based dual-loop DC motor 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 modulated 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 take speed, the current dual-loop PID algorithm to DC motor speed control of DC motor PWM speed control system.
KEY WORDS: AVR，Double-loop，PWM，DC Motor Speed Control
目 錄
TOC \o "1-3" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc251872747" 1 緒論 1
HYPERLINK \l "_Toc251872748" 1.1 緒論 1
HYPERLINK \l "_Toc251872749" 1.2 直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介 1
HYPERLINK \l "_Toc251872750" 1.3 直流電機(jī)工作原理 2
HYPERLINK \l "_Toc251872751" 1.4 直流電機(jī)的勵(lì)磁 2
HYPERLINK \l "_Toc251872752" 1.4.1他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁 2
HYPERLINK \l "_Toc251872753" 1.4.2自勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁 3
HYPERLINK \l "_Toc251872754" 1.5 直流電機(jī)的優(yōu)越性 3
HYPERLINK \l "_Toc251872755" 1.6 直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用 4
HYPERLINK \l "_Toc251872756" 2 選題背景 4
HYPERLINK \l "_Toc251872757" 2.1 問(wèn)題的提出 4
HYPERLINK \l "_Toc251872758" 2.2 解決方案 4
HYPERLINK \l "_Toc251872759" 3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案 5
HYPERLINK \l "_Toc251872760" 3.1 設(shè)計(jì)思路 5
HYPERLINK \l "_Toc251872761" 3.2 方案論證與設(shè)計(jì) 5
HYPERLINK \l "_Toc251872762" 3.2.1系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案論證與選擇 5
HYPERLINK \l "_Toc251872763" 3.2.2電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì) 6
HYPERLINK \l "_Toc251872764" 3.2.3鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì) 6
HYPERLINK \l "_Toc251872765" 3.2.4顯示電路的設(shè)計(jì) 6
HYPERLINK \l "_Toc251872766" 3.2.5速度測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 6
HYPERLINK \l "_Toc251872767" 3.2.6電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 6
HYPERLINK \l "_Toc251872768" 3.3 系統(tǒng)組成： 6
HYPERLINK \l "_Toc251872769" 3.4 ATMEGA控制電路 7
HYPERLINK \l "_Toc251872770" 3.5 電源及ISP 8
HYPERLINK \l "_Toc251872771" 3.6 主要電路單元的設(shè)計(jì) 8
HYPERLINK \l "_Toc251872772" 3.6.1.L298 驅(qū)動(dòng)接口 8
HYPERLINK \l "_Toc251872773" 3.6.1.1.控制邏輯 9
HYPERLINK \l "_Toc251872774" 3.6.1.2. L298原理圖 10
HYPERLINK \l "_Toc251872775" 3.6.2.顯示電路設(shè)計(jì) 10
HYPERLINK \l "_Toc251872776" 3.6.2.1.液晶模塊接線圖 10
HYPERLINK \l "_Toc251872777" 3.6.2.2. 1062接口說(shuō)明 11
HYPERLINK \l "_Toc251872778" 3.6.2.3.基本操作時(shí)序 11
HYPERLINK \l "_Toc251872779" 3.6.3.鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì) 11
HYPERLINK \l "_Toc251872780" 3.6.3.1.行列式鍵盤(pán)電路 11
HYPERLINK \l "_Toc251872781" 3.6.3.2.按鍵抖動(dòng) 12
HYPERLINK \l "_Toc251872782" 3.6.3.3.去抖方法 12
HYPERLINK \l "_Toc251872783" 3.6.4電機(jī)測(cè)速電路設(shè)計(jì) 12
HYPERLINK \l "_Toc251872784" 3.6.5光電編碼器的工作原理： 13
HYPERLINK \l "_Toc251872785" 3.6.5.1.絕對(duì)式編碼器 13
HYPERLINK \l "_Toc251872786" 3.6.5.2.增量式編碼器 14
HYPERLINK \l "_Toc251872787" 3.6.5.3.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào)處理 14
HYPERLINK \l "_Toc251872788" 3.6.6電樞電流測(cè)量 15
HYPERLINK \l "_Toc251872789" 3.6.6.1.測(cè)量方法 15
HYPERLINK \l "_Toc251872790" 3.6.6.2. AVR數(shù)模轉(zhuǎn)換特點(diǎn) 15
HYPERLINK \l "_Toc251872791" 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16
HYPERLINK \l "_Toc251872792" 4.1 PWM軟件設(shè)計(jì) 18
HYPERLINK \l "_Toc251872793" 4.1.1產(chǎn)生PWM信號(hào)4種方法 18
HYPERLINK \l "_Toc251872794" 4.1.2AVR單片機(jī)輸出PWM的程序 19
HYPERLINK \l "_Toc251872795" 4.2 轉(zhuǎn)向與速度檢測(cè) 19
HYPERLINK \l "_Toc251872796" 4.2.1測(cè)速原理 19
HYPERLINK \l "_Toc251872797" 4.2.2脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法 20
HYPERLINK \l "_Toc251872798" 4.2.3M/T法測(cè)速軟件設(shè)計(jì) 20
HYPERLINK \l "_Toc251872799" 4.2.4M/T 法數(shù)字測(cè)速軟件圖 21
HYPERLINK \l "_Toc251872800" 4.2.5轉(zhuǎn)向的判斷 23
HYPERLINK \l "_Toc251872801" 4.3 電流檢測(cè)原理 23
HYPERLINK \l "_Toc251872802" 4.3.1AD轉(zhuǎn)換程序 23
HYPERLINK \l "_Toc251872803" 4.4 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 24
HYPERLINK \l "_Toc251872804" 4.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 24
HYPERLINK \l "_Toc251872805" 4.4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 27
HYPERLINK \l "_Toc251872806" 4.5 PID程序流程圖： 29
HYPERLINK \l "_Toc251872807" 5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果 30
HYPERLINK \l "_Toc251872808" 6 總結(jié) 31
HYPERLINK \l "_Toc251872809" 致謝 32
HYPERLINK \l "_Toc251872810" 參考文獻(xiàn) 33
緒論
緒論
當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)己經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。
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。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，本文在對(duì)控制對(duì)象全面回顧的基礎(chǔ)上，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探討等內(nèi)容。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。
直流電動(dòng)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。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)。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)。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。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B1、B2和換向器再加到線圈上。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。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)。此時(shí)換向器起到將外電路的直流改變?yōu)榫€圈內(nèi)交流的“逆變”作用。
圖1-1 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
T=KTφIa
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)。
直流電機(jī)的勵(lì)磁
直流電機(jī)的主磁場(chǎng)由勵(lì)磁線圈通人直流電流產(chǎn)生，只有微型直流電機(jī)才采用永久磁鐵。勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁線圈的供電方式。直流電機(jī)的運(yùn)行性能與勵(lì)磁方式有密切的關(guān)系。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。
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2—8a所示，有較好的運(yùn)行性能。
自勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁
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。
圖1-2 直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁
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)。
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。其主磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與負(fù)載電流大小有直接關(guān)系，所以僅對(duì)電機(jī)有特殊性能要求時(shí)才采用。
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)。
本文重點(diǎn)放在直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性和應(yīng)用上。
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)。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。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)。但在很多調(diào)速控制場(chǎng)合，直流電機(jī)仍是最佳選擇。
直流電動(dòng)機(jī)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。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。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、電子產(chǎn)品加工裝備上的各種中小功率的驅(qū)動(dòng)等。
選題背景
問(wèn)題的提出
眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，如果沒(méi)有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來(lái)，反饋電壓認(rèn)為零，相當(dāng)于 差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時(shí)，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(dá)到它的最高值，對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于全壓?jiǎn)?dòng)，當(dāng)然是不允許的。
另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障是機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過(guò)載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來(lái)不便。
解決方案
為了為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，就應(yīng)能保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。然而對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可你軋鋼機(jī)等，盡量縮短起、制動(dòng)工程的時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使得轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
如圖所示
圖2-1 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)理想快速啟動(dòng)過(guò)程
系統(tǒng)總設(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的直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)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(shè)計(jì)中采用Atmega16單片機(jī)為主控制核心，行列式鍵盤(pán)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(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案論證與選擇
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。
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。
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。
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)（V-M）進(jìn)行控制。
方案二：采用專用電機(jī)控制集成芯片L298來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，該方案電路簡(jiǎn)單，可靠。
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)。
本設(shè)計(jì)采用方案二，采用芯片L298方便硬件設(shè)計(jì)，減少硬件帶來(lái)更大的麻煩。相對(duì)于V——M調(diào)速，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。
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。
顯示電路的設(shè)計(jì)
顯示電路采用LCM1602顯示結(jié)果。
速度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)
速度測(cè)量采用光電編碼器進(jìn)行速度采集，經(jīng)過(guò)單片機(jī)中斷將采樣的數(shù)據(jù)換算。
電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
L298設(shè)有感應(yīng)電流檢測(cè)引腳1和引腳15，在1腳和地之間串入小于0.5歐姆的電阻，通過(guò)測(cè)量非地端電位即可計(jì)算出通過(guò)電阻電流即L298A路電流。詳見(jiàn)本文4.3.6部分。
系統(tǒng)組成：
經(jīng)過(guò)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(jìn)行顯示，鍵盤(pán)控制電路。
系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3.1：
圖3-1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
ATMEGA控制電路
圖3-2 avr控制電路接線圖
電源及ISP
圖3-3 電源及ISP接線圖
主要電路單元的設(shè)計(jì)
L298 驅(qū)動(dòng)接口
AVR 單片機(jī)ATMEGA16輸出的脈寬調(diào)制( PWM) 信號(hào)需經(jīng)過(guò)功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī),本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是L298 驅(qū)動(dòng)芯片,驅(qū)動(dòng)接口電路如圖4.2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(gè)PWM 周期內(nèi),電機(jī)的電樞只承受單極性的電壓;雙極性工作方式是指在一個(gè) PWM 周期內(nèi)電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片機(jī)的 PWM 輸出引腳(PD4或PD5) 接L298 的EnA 和EnB 引腳,它控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速大小;單片機(jī)的PD6 或PD7 經(jīng)過(guò)一定的邏輯電路接到L298 的IN1～I(xiàn)N4 輸入引腳上,它控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。為了增強(qiáng)L298 的驅(qū)動(dòng)能力,本調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)L298 的兩路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了并聯(lián)使用,最大驅(qū)動(dòng)能力可以達(dá)到3A。
圖3-4 L298驅(qū)動(dòng)電路接線圖
控制邏輯
圖3-5 電機(jī)控制邏輯圖
當(dāng)電機(jī)使能端A為高電平時(shí)，如果輸入端M1 Direction 引腳為高電平，三極管導(dǎo)通，輸入引腳1為低電平而輸入引腳2為高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；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(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)電機(jī)使能端A為低電平時(shí)，電機(jī)停止。
L298原理圖
圖3-6 L298原理圖
顯示電路設(shè)計(jì)
顯示給定的速度參數(shù)和經(jīng)過(guò)PID調(diào)速后穩(wěn)定的速度參數(shù)。
液晶模塊接線圖
圖3-7 1602接線圖
1062接口說(shuō)明
表3-1 1602液晶接口說(shuō)明
基本操作時(shí)序
鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)
行列式鍵盤(pán)電路
圖3-8 行列式鍵盤(pán)電路
按鍵抖動(dòng)
按鍵在閉合和斷開(kāi)時(shí)，觸點(diǎn)會(huì)存在抖動(dòng)現(xiàn)象。
圖3-9 按鍵抖動(dòng)
去抖方法
硬件方法：設(shè)計(jì)一個(gè)濾波延時(shí)電路或單穩(wěn)態(tài)電路等硬件電路來(lái)避開(kāi)按鍵的抖動(dòng)時(shí)間。
軟件方法：指編制一段時(shí)間大于20ms的延時(shí)程序，在第一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行這段延時(shí)子程序使鍵的前沿抖動(dòng)消失后檢測(cè)該鍵狀態(tài)，如果該鍵仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)該鍵已穩(wěn)定按下，否則無(wú)鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。同理，在檢測(cè)到按鍵釋放后，也同樣要延時(shí)一段時(shí)間，以消除后沿抖動(dòng)，然后轉(zhuǎn)入對(duì)該按鍵的處理。本設(shè)計(jì)采用軟件方法。
電機(jī)測(cè)速電路設(shè)計(jì)
傳感器接口電路用于對(duì)直流電機(jī)的輸出量進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)與直流電機(jī)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(hào)獲取。
光電編碼器接線電路如圖
圖3-10 光電測(cè)速
3.6.4.1 光電編碼器的工作原理：
光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器， 光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90 的兩路脈沖信號(hào)。
根據(jù)檢測(cè)原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號(hào)輸出形式，可分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種。
3.6.4.2 絕對(duì)式編碼器
絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤(pán)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(guān)系，碼盤(pán)上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤(pán)的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤(pán)處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可 讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有 N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤(pán)必須有N條碼道。目前國(guó)內(nèi)已有16位的絕對(duì)編碼器產(chǎn)品。
3.6.4.3 增量式編碼器
增量式光電編碼器在圓盤(pán)上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤(pán)兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。當(dāng)圓盤(pán)隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(guò)整理后變?yōu)槊}沖。碼盤(pán)上有相標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈Z相輸出一個(gè)脈沖。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90度的兩路脈沖信號(hào)，如圖4.9所示。
圖3-11 增量式光電編碼盤(pán)
3.6.4.4 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向信號(hào)處理
將A、B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中，均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。編碼盤(pán)輸出Z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。
編碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過(guò)D觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q來(lái)判斷。整形后的A、B兩相輸出信號(hào)分別接到觸發(fā)器的時(shí)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)。由于A、B兩相的脈沖相位相差90度，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)（假設(shè)A相脈沖超前時(shí)為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)），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(shí)D觸發(fā)器的輸出端Q輸出高電平。如圖4.10所示。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)觸發(fā)，這時(shí)Q輸出端輸出為低電平。由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
圖3-12 光電編碼盤(pán)工作原理圖
3.6.5 電樞電流測(cè)量
3.6.5.1 測(cè)量方法
在L298的1腳和15腳串接電阻可分別檢測(cè)L298A路和B路電流大小，由電路圖可知電阻一端接地只要測(cè)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(zhuǎn)換電路測(cè)量SEA端電壓。
圖3-13 L298一腳和十五腳感應(yīng)電阻接線圖
3.6.5.2 AVR數(shù)模轉(zhuǎn)換特點(diǎn)
ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來(lái)自端口A 的8 路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0V (GND) 為基準(zhǔn)。器件還支持16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0 與ADC3、ADC2)有可編程增益級(jí)，在A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0dB(1x)、20dB(10x) 或46dB(200x)的放大級(jí)。七路差分模擬輸入通道共享一個(gè)通用負(fù)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(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入到ADC 的電壓保持恒定。標(biāo)稱值為2.56V 的基準(zhǔn)電壓，以及AVCC，都位于器件之內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓可以通過(guò)在AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
軟件編寫(xiě)主要包括PWM波形的產(chǎn)生，電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)、電機(jī)電樞電流實(shí)時(shí)測(cè)量，PID控制算法，鍵盤(pán)掃描和液晶顯示程序。
如圖程序框圖的構(gòu)成，當(dāng)程序進(jìn)入“初始化”時(shí)，開(kāi)放外部中斷，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器定時(shí)1s到達(dá)時(shí)，停止計(jì)時(shí)和中斷外部中斷，轉(zhuǎn)入計(jì)算當(dāng)前轉(zhuǎn)速，根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速與AVR單片機(jī)給定的轉(zhuǎn)速比較，采取PID算法的對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，當(dāng)超過(guò)PWM限幅值1024時(shí)，返回PID算法程序再進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速控制，否則輸出PWM信號(hào)。
1.控制總流程圖
圖4-1 程序流程圖
2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖
圖4-2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)
ASR——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR——電流調(diào)節(jié)器 TG——測(cè)速
TA——電流檢測(cè)儀 UPE——電力電子變換器 Un*——轉(zhuǎn)速給定電壓
Un——轉(zhuǎn)速反饋電壓 Ui*電流給定電壓 Ui——電流反饋電壓
PWM軟件設(shè)計(jì)
脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。
脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。
多數(shù)負(fù)載(無(wú)論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓. PWM不是調(diào)節(jié)電流的.PWM的意思是脈寬調(diào)節(jié),也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比,一個(gè)20%占空比波形,會(huì)有20%的高電平時(shí)間和80%的低電平時(shí)間，而一個(gè)60%占空比的波形則具有60%的高電平時(shí)間和40%的低電平時(shí)間,占空比越大,高電平時(shí)間越長(zhǎng),則輸出的脈沖幅度越高,即電壓越高.如果占空比為0%,那么高電平時(shí)間為0,則沒(méi)有電壓輸出.如果占空比為100%,那么輸出全部電壓.
所以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比,可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié).
（4-1）
其中：Ud——整流電壓
Us——電源電壓
ton——開(kāi)通時(shí)間
T——開(kāi)關(guān)周期
產(chǎn)生PWM信號(hào)4種方法
①分立電子元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器這種方式是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號(hào)電路,是較早采用的方法,可靠性、可調(diào)性較差;
②軟件模擬式利用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳,通過(guò)軟件對(duì)該引腳輸出高低電平來(lái)模擬PWM波,該方法占用CPU 的時(shí)間較多, 控制軟件較復(fù)雜;
③專用PWM集成電路采用芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片,該方法功能強(qiáng),但增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本開(kāi)銷;
④單片機(jī)的PWM口新一代的許多單片機(jī)具有PWM功能。通過(guò)單片機(jī)的初始化設(shè)置,使其自動(dòng)發(fā)生PWM脈沖波,只有在改變脈沖寬度時(shí),CPU才進(jìn)行干預(yù),該方法控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡(jiǎn)單、可靠。
可利用單片機(jī)的PWM口產(chǎn)生控制信號(hào)的方法控制電壓。
AVR單片機(jī)輸出PWM的程序
void main() //PD4輸出高電平持續(xù)2MS，PD5輸出占空比為50%，因?yàn)槠銫OMnx1：0=1。
{ DDRD|=0X30;
TCCR1A=0X63;
TCCR1B=0X1B;
OCR1A=12499;//產(chǎn)生10MS的PWM信號(hào)，保存上限值，但不能輸出PWM信號(hào)
OCR1B=2500; //占空比為20%，既PD4輸出高電平持續(xù)2MS。
}
轉(zhuǎn)向與速度檢測(cè)
測(cè)速原理
由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測(cè)速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。
M法、T法、M/T法工作原理以下：
⑴ M法測(cè)速工作原理：
①由計(jì)數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號(hào)；
②定時(shí)器每隔時(shí)間Tc向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求INTt；
③CPU響應(yīng)中斷后，讀出計(jì)數(shù)值 M1，并將計(jì)數(shù)器清零重新計(jì)數(shù)；
④根據(jù)計(jì)數(shù)值 M 計(jì)算出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值 n。
⑵ T法測(cè)速工作原理：
①計(jì)數(shù)器記錄來(lái)自CPU的高頻脈沖 f0；
②PLG每輸出一個(gè)脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求；
③CPU 響應(yīng) INTn中斷，從計(jì)數(shù)器中讀出計(jì)數(shù)值 M2，并立即清零，重新計(jì)數(shù)。
⑶T法測(cè)速工作原理：
①T0定時(shí)器控制采樣時(shí)間；
②M1計(jì)數(shù)器記錄PLG脈沖；
③M2計(jì)數(shù)器記錄時(shí)鐘脈沖。
脈沖數(shù)字（P/D）轉(zhuǎn)換方法
（1）M法—脈沖直接計(jì)數(shù)方法；
（2）T 法—脈沖時(shí)間計(jì)數(shù)方法；
（3）M/T法—脈沖時(shí)間混合計(jì)數(shù)方法。
M/T法測(cè)速軟件設(shè)計(jì)
由于轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度和快速性對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能影響極大。為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測(cè)速，本設(shè)計(jì)使用每轉(zhuǎn)4096線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用M/T法測(cè)速處理。
M/T法測(cè)速原理是在對(duì)光電編碼器輸出的測(cè)速脈沖數(shù)m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)，對(duì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。
圖4-3 M/T法測(cè)速原理圖
測(cè)速時(shí)間Td由測(cè)速脈沖來(lái)同步，即由硬件電路實(shí)現(xiàn)Td等于整m1個(gè)脈沖周期。設(shè)從圖5.2點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器分別對(duì)ml和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測(cè)速時(shí)間Tc到，微機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)指令，但因?yàn)門c不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼起輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，自到c點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿(即c點(diǎn))觸發(fā)數(shù)字測(cè)速硬件電路使時(shí)間計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣，m2就代表了m1個(gè)測(cè)速脈沖周期的時(shí)間。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為f0，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出P個(gè)脈沖，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為：
r/min （4-2）
在本系統(tǒng)中，由于選用f0=2MHz, P=4096= ，所以轉(zhuǎn)速計(jì)算公式有：
r/min （4-3）
為了在低速測(cè)量時(shí)能使測(cè)速器在相當(dāng)短的Td時(shí)間內(nèi)任能包含較多個(gè)測(cè)速脈沖的高精度測(cè)速值，除了盡可能選擇較大P值的光電編碼器外，還可以利用光電編碼器輸出的相位上互差90的兩路矩形脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)4信頻電路后再送入計(jì)數(shù)器。這樣，轉(zhuǎn)速n的計(jì)算式應(yīng)改為：
r/min （4-4）
由此可以得到轉(zhuǎn)速的值。
M/T 法數(shù)字測(cè)速軟件圖
測(cè)速軟件由捕捉中斷服務(wù)子程序如圖5.3和測(cè)速時(shí)間中斷服務(wù)子程序如圖5.4構(gòu)成，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)程序中進(jìn)行到“測(cè)速允許”時(shí)，開(kāi)放捕捉中斷，但只有旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿到達(dá)時(shí)，進(jìn)入捕捉中斷服務(wù)程序，旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖計(jì)數(shù)器M1和高頻時(shí)鐘計(jì)數(shù)器M2才真正開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開(kāi)測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器Tc，禁止捕捉中斷，使不再干擾計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。待測(cè)速時(shí)間計(jì)數(shù)器到達(dá)計(jì)數(shù)值，發(fā)出停止測(cè)速信號(hào)，再次開(kāi)放捕捉中斷，到旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖前沿再到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)。
在這一組軟件框圖中，測(cè)速軟件僅完成M1和M2計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)速計(jì)算是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務(wù)子程序中完成的。
圖5.5為故障保護(hù)中斷服務(wù)子程序框圖。
圖4-4 主程序框圖 圖4-5 初始化主程序框圖
圖4-6 圖4-7 圖4-8
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷 電流調(diào)節(jié)中斷 故障保護(hù)中斷
服務(wù)子程序框圖 服務(wù)子程序框圖 服務(wù)子程序框圖
轉(zhuǎn)向的判斷
編碼盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向可以通過(guò)D觸發(fā)器的輸出信號(hào)Q來(lái)判斷。整形后的A、B兩相輸出信號(hào)分別接到觸發(fā)器的時(shí)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)。由于A、B兩相的脈沖相位相差90度，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)（假設(shè)A相脈沖超前時(shí)為正轉(zhuǎn)，反之為反轉(zhuǎn)），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(shí)D觸發(fā)器的輸出端Q輸出高電平。如圖4所示。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)觸發(fā)，這時(shí)Q輸出端輸出為低電平。由此確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
電流檢測(cè)原理
AD轉(zhuǎn)換程序
uint mega16_ad()//avrPA0作為adc輸入，十位ADC
{
uint addata;
DDRA&=~BIT(PA0);
PORTA&=~BIT(PA0);//設(shè)置PA0口為不帶上拉電阻輸入
ADMUX=0;//選擇0通道
ADCSR=0X80;//ADC使能，二分頻
ADCSR|=BIT(ADSC);//ADSC=6即ADC開(kāi)始轉(zhuǎn)換
while(!(ADCSR&(BIT(ADIF))));//查詢ADC是否轉(zhuǎn)換完畢
addata=ADCL;//讀出ADC寄存器中低8位
addata=addata+ADCH*256;//讀出ADC寄存器中高八位并與低位合并
return addata;//最終ADC轉(zhuǎn)換數(shù)值
}
調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
圖4-9 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)
電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟：
1、電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化
忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響。在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，即ΔE≈0。這時(shí)，電流環(huán)如下圖所示。
圖4-10 忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響結(jié)構(gòu)框圖
等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。
圖4-11 電流環(huán)等效成單位負(fù)反饋
小慣性環(huán)節(jié)近似處理。最后，由于Ts 和T0i 一般都比Tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：
（4-5）
簡(jiǎn)化的近視條件為
（4-6）
電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化圖
圖4-12 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化圖
2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇
從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，由圖4.7可以看出，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I 型系統(tǒng)就夠了。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。圖4.7表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成
（4-7）
式中Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；
τi —電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。
3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算
在一般情況下，希望電流超調(diào)量i ≤ 5%，可選ξ=0.707，KI TΣi =0.5，則
（4-8）
再利用式和式得到
（4-9）
電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)：
電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。由圖2-24a可知
（4-10）
忽略高次項(xiàng)，上式可將階近似為
（4-11）
近似條件可由式求出
（4-12）
式中ωcn—轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。
接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為U *i(s)，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為
（4-13）
這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)
用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-22 中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖2-26a所示。
圖4-13 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及簡(jiǎn)化
和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成U*n(s)/α，再把時(shí)間常數(shù)為1 / KI 和Ton 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中
（4-14）
轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化
圖4-14 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇
為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 中（見(jiàn)圖4.9），現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。
由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為
（4-15）
式中 Kn — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；
τ n — 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。
開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：
（4-16）
令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為
（4-17）
則 （4-18）
校正后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖4-15 校正后成為典型II型系統(tǒng)
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn 和τn。按照典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，可得
（4-19）
再由式（2-39） （4-20）
因此 （4-21）
至于中頻寬h 應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定。
無(wú)特殊要求時(shí)，一般可選擇
h=5
PID程序流程圖：
圖4-16 PID流程圖
定義PID結(jié)構(gòu)體
typedef struct {
double SetPoint; // 設(shè)定目標(biāo) Desired Value
double Proportion; // 比例常數(shù) Proportional Const
double Integral; // 積分常數(shù) Integral Const
double Derivative; // 微分常數(shù) Derivative Const
double LastError; // Error[-1]
double PrevError; // Error[-2]
double SumError; // Sums of Errors
}PID;
PID sPID; // PID Control Structure定義一下結(jié)構(gòu)體變量
系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果
經(jīng)過(guò)調(diào)試，電路基本完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)測(cè)試，電機(jī)在全速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速為每分鐘8000轉(zhuǎn)，由于為了更好控制轉(zhuǎn)速，所以控制速度設(shè)定為4000~8000轉(zhuǎn)范圍。在不斷的測(cè)試和調(diào)試下，系統(tǒng)誤差基本達(dá)到與設(shè)定值的5%誤差。
總結(jié)
本文已用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速，簡(jiǎn)化了控制邏輯系統(tǒng)，與其它系統(tǒng)相比，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，實(shí)用性強(qiáng)，功能完整。以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來(lái)靈活方便。如直流電機(jī)速度PID/模糊PID控制已得到驗(yàn)證，對(duì)于要求精度高、調(diào)速范圍大的系統(tǒng)，往往需要采用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速，即數(shù)字測(cè)速。由于M/T法的計(jì)數(shù)值M1和M2都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于M法測(cè)速，最低速時(shí)，M1=1，自動(dòng)進(jìn)入T法測(cè)速。因此M/T法測(cè)速能適用的轉(zhuǎn)速范圍明顯大于前兩種。是目前廣泛應(yīng)用的一種測(cè)速方法。
模擬測(cè)速一般采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，其輸出電壓不僅表示了轉(zhuǎn)速的大小，還包含了轉(zhuǎn)速的方向，在調(diào)速系統(tǒng)中（尤其在可逆系統(tǒng)中），轉(zhuǎn)速的方向也是不可缺少的。。
使用PID閉環(huán)反饋控制可顯著提高系統(tǒng)性能。由于采用數(shù)字給定、數(shù)字控制和數(shù)字檢測(cè)，可根據(jù)控制對(duì)象的變化，方便地改變控制器參數(shù)，更好地對(duì)直流電機(jī)調(diào)速控制。
致 謝
在本論文完成之際，衷心感謝指導(dǎo)老師劉麗芳的悉心指導(dǎo)，以及提供良好的學(xué)習(xí)研究環(huán)境；在一個(gè)多學(xué)期的學(xué)習(xí)中，給予我理論方面的支持和技術(shù)上的幫助；對(duì)本人學(xué)習(xí)作風(fēng)產(chǎn)生極大的影響，養(yǎng)成實(shí)事求是、一絲不茍、自強(qiáng)不息的習(xí)慣。同時(shí)劉麗芳老師淵博的知識(shí)和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神將使我受益匪淺。感謝李廣同師兄所做的前期電路，最后還要感謝各位領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們的熱情相助。
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