基于avr单片机的直流电动机双闭环调速系统

基于avr单片机的直流电动机双闭环调速系统内容摘要：

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。 解决方案 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。 如图所示 兰州交通大学博文学院（论文） 5 图 直流电动机双闭环理想快速启动过程 Idl n Idm n Id 兰州交通大学博文学院（论文） 6 3 第三章 系统总设计方案 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 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。 方案论证与设计 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。 电机控制电路的设计 方案一：采用晶闸管 —— 电动机控制系统（ VM）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。 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。 显示电路的设计 显示电路采用 LCM1602 显示结果。 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。 兰州交通大学博文学院（论文） 7 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 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 部分。 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 ： 图 系统硬件的设计与实现 兰州交通大学博文学院（论文） 8 ATMEGA控制电路 图 avr 控制电路接线图 电源及 ISP 图 电源及 ISP 接线图 兰州交通大学博文学院（论文） 9 主要电路单元的设计 L298 芯片简介 L298 芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准 TTL 逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电机和步进电机，具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。 每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电 阻。 可安置另一输入电源，使逻辑能在低压下工作。 L298 芯片是具有 15个引出脚的多瓦数直插封闭的集成芯片。 L298 驱动接口 AVR 单片机 ATMEGA16 输出的脉宽调制 ( PWM) 信号需经过功率放大才能驱动电机 ,本调速控制系统采用的是 L298 驱动芯片 ,驱动接口电路如图 所示。 L298 有单极性、双极性 2 种工作方式。 单极性工作方式指的是在一个 PWM 周期内 ,电机的电枢只承受单极性的电压。 双极性工作方式是指在一个 PWM 周期内电机电枢两端的电压呈正负变化。 调速控制系统采用的是单极性工作方式。 单片 机的 PWM 输出引脚 (PD4 或 PD5) 接L298 的 EnA 和 EnB 引脚 ,它控制着电机转速大小。 单片机的 PD6 或 PD7 经过一定的逻辑电路接到 L298 的 IN1～ IN4 输入引脚上 ,它控制电机的转动方向。 为了增强 L298 的驱动能力 ,本调速控制系统对 L298 的两路驱动进行了并联使用 ,最大驱动能力可以达到3A。 图 L298 驱动电路接线图 兰州交通大学博文学院（论文） 10 . 控制逻辑 图 电机控制逻辑图 当电机使能端 A为高电平时，如果输入端 M1 Direction 引脚为高电平，三极管导通，输入引脚 1为低电平而输 入引脚 2为高电平，电机反转；如果输入端 M1 Direction 引脚为低电平，三极管截止，输入引脚 2为低电平而输入引脚 1为高电平，电机正转；当电机使能端 A为低电平时，电机停止。 . L298 原理图 图 L298 原理图 显示电路设计 显示给定的速度参数和经过 PID调速后稳定的速度参数。 兰州交通大学博文学院（论文） 11 . 液晶模块接线图 图 1602 接线图 . 1062 接口说明 图 1602 液晶接口说明 . 基本操作时序 兰州交通大学博文学院（论文） 12 键盘电路设计 . 行列式键盘电路 图 行列式键盘电路 . 按键抖动 按键在闭合和断开时，触 点会存在抖动现象。 按 下 抖 动释 放 抖 动理 想 波 形实 际 波 形稳 定 闭 合＋ 5 V＋ 5 VAB无 抖 动有 抖 动 图 按键抖动 . 去抖方法 硬件方法：设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时兰州交通大学博文学院（论文） 13 间。 软件方法：指编制一段时间大于 20ms 的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。 同理，在检测到按键释放后，也同样要延时一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。 本设计采用软件方法。 电机测速电路设计 传感器接口电路用于对直流电机的输出量进 行采样，以实现闭环控制。 转速信号通过与直流电机同轴连接的增量式光电编码器输出的相差 90度相角的两路方波信号获取。 光电编码器接线电路如图 图 光电测速 光电编码器的工作原理： 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。 光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。 由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。 此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相兰州交通大学博文学院（论文） 14 差 90186。 的两路脉冲信号。 根据检测原理，编码器可分为光学式 、磁式、感应式和电容式。 根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 . 绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。 这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字 码。 显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。 目前国内已有 16 位的绝对编码器产品。 . 增量式编码器 增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。 当圆盘随电机旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整理后变为脉冲。 码盘上有相标志，每转一圈 Z 相输出一个脉冲。 此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 度的两路脉冲信号，如图 所示。 图 增量式光电编码盘 . 转速转向信号 处理 将 A、 B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。 编码盘输出 Z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器。 编码盘的旋转方向可以通过 D 触发器的输出信号 Q来判断。 整形后的 A、 B两相输出信号分别接到触发器的时钟端和 D输入端， D触发器的 CLK 端在 A 相脉冲的上升沿触发。 兰州交通大学博文学院（论文） 15 由于 A、 B 两相的脉冲相位相差 90 度，当电机正转时（假设 A 相脉冲超前时为正转，反之为反转）， A 相脉冲超前 B 相脉冲 90 度，触发器总是在 B脉冲为高电平触发，这时 D触发器的输出端 Q输出高电平。 如图 所示。 当电机反转时， B 相脉冲超前 A 相脉冲90度，则 D触发器总是在 B 脉冲为低电平时触发，这时 Q输出端输出为低电平。 由此确定电机的转动方向。 图 光电编码盘工作原理图 电枢电流测量 . 测量方法 在 L298 的 1脚和 15 脚串接电阻可分别检测 L298A 路和 B路电流大小，由电路图可知电阻一端接地只要测量另一端电压即可算出电路电流。 本文直接采用 avr16 自带的 ad转换电路测量 SEA端电压。 图 L298 一脚和十五脚感应电阻接线图 兰州交通大学博文学院（论文） 16 . AVR 数模转换特点 ATmega16有一个 10位的逐次逼近型 ADC。 ADC与一个 8通道的模拟多路复用器连接 ，能对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。 单端电压输入以 0V (GND) 为基准。 器件还支持 16 路差分电压输入组合。 两路差分输入 (ADC ADC0 与 ADC ADC2)有可编程增益级，在 A/D 转换前给差分输入电压提供 0dB(1x)、 20dB(10x) 或 46dB(200x)的放大级。 七路差分模拟输入通道共享一个通用负端 (ADC1), 而其他任何 ADC 输入可做为正输入端。 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 包括一个采样保持电路， 以确保在转换过程中输入到 ADC 的电压保持恒定。 标称值为 的基准电压，以及 AVCC，都位于器件之内。 基准电压可以通过在 AREF 引脚上加一个电。