基于ATmega8的PWM雙閉環(huán)直流調(diào)速設(shè)計(jì)論文

1、摘 要本論文主要是對(duì)雙閉環(huán)pwm直流調(diào)速系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制。在設(shè)計(jì)中，對(duì)pwm直流調(diào)速的原理、雙閉環(huán)直流調(diào)速原理和特點(diǎn)進(jìn)行了全面闡述。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)數(shù)字化控制，采用了atmega8作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，配以顯示、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測(cè)量。硬件組成包括atmega8單片微機(jī)、電流檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊、保護(hù)模塊、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成。在設(shè)計(jì)中，采用pwm調(diào)速方式，通過(guò)改變pwm的占空比從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，為了提高控制系統(tǒng)的性能和可靠性，設(shè)計(jì)中，對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)采用pid調(diào)節(jié)器。在軟件實(shí)現(xiàn)中，本系統(tǒng)采用增量式pid控制

2、算法來(lái)改變pwm的占空比，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了集成電路模塊，簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)字pwm控制，具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：atmega8單片機(jī)；直流電機(jī)；pwm調(diào)速; 雙閉環(huán); pidabstractthis paper is mainly to the double loop dc speed control system of study pwm, to achieve the digital control of dc motor. in the design, the principle of

3、the pwm dc motor speed control, the principle and characteristics of double closed loop dc speed control are analyzed comprehensively expounded. for the realization of digital control computer system, using the atmega8, as the core of the whole control system, together with the display, drive, measu

4、rement modules, to achieve the motor speed parameter display and measurement. hardware includes the atmega8 single chip microprocessor, the current detection module, speed detection module, protect module, keyboard module, the display module, the driver module of dc motor and other components. in th

5、e design, using pwm control mode, through changing the pwm duty cycle to change the motor armature improve the control performance and reliability of the system, the design of current loop and rotational speed, using pid regulator. in this system, the software realization of incremental pid control

6、algorithm is adopted to realize pid parameters of the system and the software programming realize speed current digital pid adjuster operations and generate digital pwm waves. in the software implementation, the system uses the incremental pid control algorithm to change the pwm duty cycle. in the h

7、ardware structure of integrated circuits using modules, greatly simplified the hardware circuit, improve the stability and reliability of the system, the systems performance improved. it realizes the real-time digital pwm motor control, with convenient control, simple and flexible configuration adva

8、ntages.key words: atmega8 microcontroller; dc motor: pwm speed regulator; double closed loop; pid目 錄1 緒論11.1 課題的背景和意義11.2 課題研究的主要內(nèi)容22 直流電機(jī)pwm調(diào)速原理和總體方案確定22.1直流電機(jī)pwm調(diào)速原理22.2 pwm脈沖產(chǎn)生方式42.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹52.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理52.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的作用72.3.3 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)73 系統(tǒng)總體方案分析與設(shè)計(jì)83.1系統(tǒng)總體方案的分析83.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)84 系統(tǒng)

9、硬件電路設(shè)計(jì)94.1 atmega8單片機(jī)最小系統(tǒng)94.1.1 atmega8的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)94.1.2 atmega8單片機(jī)的最小系統(tǒng)的其他電路設(shè)計(jì)114.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)124.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)134.3.1 h橋驅(qū)動(dòng)電路原理134.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)134.4 隔離模塊電路設(shè)計(jì)164.5 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)174.6 速度和電流檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)194.6.1 速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)194.6.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)214.7 轉(zhuǎn)速顯示電路模塊設(shè)計(jì)214.8 串行通信模塊電路設(shè)計(jì)225電機(jī)控制策略的研究235.1 pid算法235.2 數(shù)字濾波算法276 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)286.1 主程

10、序設(shè)計(jì)286.2 初始化程序設(shè)計(jì)296.3 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)297 總結(jié)與展望33參考文獻(xiàn)34附 錄35英文資料45中文譯文51致 謝541 緒論1.1 課題的背景和意義世界上最早電機(jī)原型就是永磁電機(jī)，當(dāng)時(shí)永磁材料性能不良，而被電磁式電機(jī)占了主流。后來(lái)又發(fā)展到交流電動(dòng)機(jī)，但交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速要增加變頻裝置，比較復(fù)雜，20世紀(jì)60年代和80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）相繼問(wèn)世，它們的高剩磁密度、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機(jī)，我國(guó)的稀土礦的儲(chǔ)藏量居世界首位，目前正大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁直流電機(jī)為代表的各種永磁直流電機(jī)，而使永磁直流電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)

11、新的時(shí)期。直流電動(dòng)機(jī)采用永磁勵(lì)磁后，既保留了電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速特性和機(jī)械特性，還因省去了勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁損耗而具有結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、體積小、用銅量少、效率高等特點(diǎn)。因而從家用電器、便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)工具到要求有良好動(dòng)態(tài)性能的精密速度和位置傳動(dòng)系統(tǒng)都大量應(yīng)用永磁直流電動(dòng)機(jī)。500 w以下的微型直流電動(dòng)機(jī)中，永磁直流電機(jī)占92%，而10 w以下的永磁直流電機(jī)占99%以上。永磁直流電動(dòng)機(jī)向經(jīng)濟(jì)型和高性能型兩個(gè)方向發(fā)展，應(yīng)用面從玩具電機(jī)、音像電機(jī)、汽車(chē)微電機(jī)、電動(dòng)輪椅到工業(yè)用小功率驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng) ，如數(shù)控機(jī)床用電機(jī)、電動(dòng)工具等。本課題研究的系統(tǒng)適用于100w以下的永磁直流電機(jī)，可用于家用電器、便攜

12、式電子設(shè)備、電動(dòng)工具和一些工業(yè)控制中的電機(jī)。對(duì)這類(lèi)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向。采用微機(jī)控制后，整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性提高，操作維護(hù)方便，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)速精度可以達(dá)到較高水平。在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，單片機(jī)在復(fù)雜控制領(lǐng)域扮演極為重要的角色，單片機(jī)性能可靠，程序設(shè)計(jì)方便靈活，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。pwm調(diào)速系統(tǒng)以其調(diào)速范圍寬、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前主要控制方式。所以，本課題采用單片機(jī)控制的pwm直流電機(jī)調(diào)速，在實(shí)際應(yīng)用中，它較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的速度控制，具有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。avr單片機(jī)具有較

13、高的性價(jià)比和穩(wěn)定性，將它應(yīng)用于直流電機(jī)的pwm調(diào)速，具有良好的性能和很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本課題采用atmega8單片機(jī)作為主控制器，atmega8單片機(jī)內(nèi)部有pwm和ad轉(zhuǎn)換通，就可以不用在外圍再設(shè)置a/d轉(zhuǎn)換器，硬件結(jié)構(gòu)和控制大大簡(jiǎn)化，可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制，單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度和精度高、有大容量的存儲(chǔ)單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制,；本課題采用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路實(shí)現(xiàn)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的pid調(diào)節(jié)，不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，無(wú)論被控量的大小，都可以保證足夠的控制精度；與模擬直流調(diào)速系統(tǒng)相比，控制算法易于改進(jìn)、程序易于移植、控制精度高、調(diào)速范圍寬、靜差率小、功率因數(shù)高

14、等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)的控制方式是由軟件完成的，如果需要修改控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件電路，只需修改程序即可，在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便； 本系統(tǒng)還可以增加了通信模塊，可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)制,實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能良好。永磁直流電機(jī)控制是avr單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，隨著社會(huì)的發(fā)展以及對(duì)電機(jī)控制的要求日益提高，avr單片機(jī)將在電機(jī)控制領(lǐng)域中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.2 課題研究的主要內(nèi)容本課題主要研究pwm直流調(diào)速的原理，以稀土永磁直流電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)atmega8單片機(jī)控制pwm來(lái)調(diào)速，主要介紹了該系統(tǒng)的硬件以及軟件具體

15、設(shè)計(jì)，硬件主要有控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速和電流檢測(cè)，鍵盤(pán)和轉(zhuǎn)速顯示等，用鍵盤(pán)輸入給定轉(zhuǎn)速和有關(guān)控制信號(hào)及參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、速度和電流調(diào)節(jié), 并用led數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速，由軟件編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流數(shù)字pid調(diào)節(jié)器的運(yùn)算并產(chǎn)生數(shù)字pwm波，改變pwm的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以及對(duì)數(shù)字算法濾波的研究。從而構(gòu)成了一個(gè)比較完整有效的雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)。2 直流電機(jī)pwm調(diào)速原理和總體方案確定2.1直流電機(jī)pwm調(diào)速原理改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一定是pwm脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：式中：u電樞端電壓；i電樞電流

16、；r電樞電路總阻；每極磁通量；k電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法可分為對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法和對(duì)電樞電壓進(jìn)行控制的電樞控制方法。目前絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，它是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制pwm來(lái)控制電機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。pwm(pulse width modulation)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)通過(guò)對(duì)一系列數(shù)字脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制,在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí)速度加快,斷電時(shí)速度逐漸變慢,只要按一定規(guī)律改變通斷電的時(shí)間,即可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速數(shù)字化.對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的，其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期

17、的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度，這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制pwm,通過(guò)控制脈沖占空比來(lái)改變電機(jī)的電樞電壓.改變占空比的方法有3種：（1）定寬調(diào)頻法，這種方法是保持t1不變，只改變t2，這樣也使周期t（或頻率）也隨之改變；（2）調(diào)寬調(diào)頻法，保持t2不變，而改變t1，這樣也使周期t（或頻率）改變；（3）定頻調(diào)寬法，這種方法是使周期t（或頻率）不變，而同時(shí)改變t1和t2。由于前兩種方法都改變了周期（或頻率），當(dāng)控制頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，用的比較少，因此本系統(tǒng)用的是定頻調(diào)寬法，只要按一定規(guī)律，改變通斷電時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。電機(jī)pwm控制示意圖如圖 2-1圖2-1 pwm

18、控制示意圖電動(dòng)機(jī)兩端得到的電壓波形如圖2-2所示的電壓平均值可用下式表示為=ton/tus=式中 ton開(kāi)關(guān)每次接通的時(shí)間t開(kāi)關(guān)通斷的時(shí)間周期 占空比 =ton/t0pwm控制波形圖2-2圖2-2 pwm控制波形圖2.2 pwm脈沖產(chǎn)生方式pwm脈沖波的產(chǎn)生方法有四種：1）分立電子元件組成的pwm信號(hào)發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成pwm信號(hào)電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。2）軟件模擬法利用單片機(jī)的一個(gè)i/o引腳，通過(guò)軟件對(duì)該引腳不斷地輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)p w m波輸出。這種方法要占用cpu大量時(shí)間，使單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行其它的工作，因此也逐漸被淘汰。3）專(zhuān)用pwm集成電路從pwm

19、控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專(zhuān)用的pwm集成電路芯片。現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有很多種型號(hào)，如ti公司的tl494芯片。東芝公司的2sk3131芯片等。這些芯片除了有pwm信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能等，這種專(zhuān)用pwm集成電路可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，工作更可靠。4）單片機(jī)的pwm口新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括pwm功能。如ad公司的12位單片機(jī)adc831，inter公司的16位單片機(jī)8xc196以及cygnal公司的8位單片機(jī)c8051foxx系列等。在新一代的單片機(jī)中，通過(guò)初始化設(shè)置，使其pwm輸出口能夠自動(dòng)發(fā)出pwm脈沖波，只有在改變占空比時(shí)，cpu才進(jìn)

20、行干預(yù)。 本系統(tǒng)采用atmega8的內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生pwm波，atmega8單片機(jī)有3個(gè)pwm輸出通道，本系統(tǒng)采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的相位頻率可調(diào)pwm模式， oc1a/oc1b輸出的pwm波形的頻率輸出由下式確定，式中n的取值為1、8、64、256或1024。通過(guò)設(shè)置ocr1a/ocr1b的值，可以獲得不同占空比的脈沖波形，本系統(tǒng)pid輸出的控制電壓對(duì)應(yīng) ocr1a/ocr1b的值，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)速。2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的介紹直流電機(jī)雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速

21、無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯脹_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段

22、使電流保持為最大值得恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔貌煌碾A段。 2.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，既要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制與電流控制之間的關(guān)系，就是將二者分開(kāi)，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器acr調(diào)節(jié)電流。asr與acr之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)聯(lián)接，即以asr的輸出電壓作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用acr的輸出電壓作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電

23、壓。從雙閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖2-3 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)速發(fā)電機(jī)ta-電流互感器upe-電力電子變換器un*-轉(zhuǎn)速給定電壓un-轉(zhuǎn)速反饋電壓*-電流給定電壓 -電流反饋電壓先說(shuō)明雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的速度和電流的變化。在啟動(dòng)瞬間，速度和電流為0，合電后，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的比例項(xiàng)立即作用，輸出電流很快上升，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，但速度變化比較緩慢。速度調(diào)節(jié)器的輸入為速度設(shè)定值和速度實(shí)際值的差，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器積分項(xiàng)的作用，速度調(diào)節(jié)器的輸出很快進(jìn)入飽和，其飽和值由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值確

24、定。由于速度調(diào)節(jié)器的輸出為電流設(shè)定值，因而速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅決定了啟動(dòng)過(guò)程中的電流最大值。當(dāng)電流上升到最大值后，由于速度調(diào)節(jié)器的輸出受限幅環(huán)節(jié)的影響，電流設(shè)定值不再變化，相當(dāng)于電流單閉環(huán)控制，電動(dòng)機(jī)以恒定電流加速，速度增加，直到電動(dòng)機(jī)速度達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，速度調(diào)節(jié)器的輸入將變負(fù)，速度調(diào)節(jié)器開(kāi)始退飽和，它的輸出變小，即電流設(shè)定值變小。但是，只要電動(dòng)機(jī)電樞電流比負(fù)載等值電流大，電動(dòng)機(jī)仍將繼續(xù)加速，直至電動(dòng)機(jī)的電樞電流和負(fù)載等值電流相等，加速才停止。之后電動(dòng)機(jī)的電流和速度再經(jīng)歷一段調(diào)節(jié)過(guò)程，系統(tǒng)穩(wěn)定在速度設(shè)穩(wěn)定值運(yùn)行，電流則和負(fù)載電流平衡，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。穩(wěn)定狀態(tài)下電流轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)程如下：1 以電流調(diào)

25、節(jié)器acr為核心的電流環(huán)電流環(huán)是電流調(diào)節(jié)器acr和電流反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，由于acr是pi調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)其輸入偏差電壓 ，即 。其中 為電流反饋系數(shù)。當(dāng)一定時(shí)，由于電流反饋的調(diào)節(jié)作用，使整流裝置的輸出電流保持在 數(shù)值上。當(dāng) 時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為最終保持電流穩(wěn)定。當(dāng)電流下降時(shí)，也有類(lèi)似的調(diào)節(jié)過(guò)程。2 以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr為核心的轉(zhuǎn)速環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr和轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，由于asr是pi調(diào)節(jié)器，所及在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)滿足，即當(dāng)一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n將穩(wěn)定在 數(shù)值上。當(dāng) 時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程為負(fù)載最終保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，也有類(lèi)似的調(diào)節(jié)過(guò)程。2.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的作用雙閉環(huán)調(diào)

26、速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用為：(1)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化；(2)對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；(3)能對(duì)電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器的作用為：(1)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；(2)起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流，實(shí)現(xiàn)最佳起動(dòng)過(guò)程；(3)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，能使電流跟隨其給定電壓變化；(4)靜態(tài)時(shí)依靠acr的恒流調(diào)節(jié)作用可獲待理想的下垂特性；(5)當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護(hù)作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)正常。由于電流控制器和轉(zhuǎn)速控制器都采用pid控制方法，并且采用工程整定的方法確定出兩個(gè)控制器各自的一

27、組最佳控制參數(shù)所以，轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制效果非常好總之，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速采用速度和電流的雙閉環(huán)pid控制后，連續(xù)調(diào)速的范圍擴(kuò)大了，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和制動(dòng)的速度大大地加快，調(diào)節(jié)時(shí)間顯著地縮短，轉(zhuǎn)速的最大超調(diào)量大幅度地減小，控制精度非常高轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)pid控制系統(tǒng)，很適用于起動(dòng)和制動(dòng)頻繁、轉(zhuǎn)速控制精度要求很高的機(jī)。2.3.3 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。但傳統(tǒng)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)屬于模擬系統(tǒng),其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上,因而線路復(fù)雜、通用性差,控制效果受到模擬器件本身性能和一些外部環(huán)境因素的限制。所以本系統(tǒng)研究數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)調(diào)

28、速系統(tǒng)，用單片機(jī)產(chǎn)生pwm波，用軟件方法實(shí)現(xiàn)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，用軟件方法實(shí)現(xiàn)pid調(diào)節(jié)改變pwm的占空比。本系統(tǒng)采用的atmega8控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速的系統(tǒng)框圖如圖2-4圖2-4 單片機(jī)控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 系統(tǒng)總體方案分析與設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體方案的分析電機(jī)調(diào)速一般分為三個(gè)級(jí)，控制級(jí)，驅(qū)動(dòng)級(jí)和反饋級(jí)。單片機(jī)屬于前端的控制級(jí)，只需要能夠產(chǎn)生可調(diào)的pwm波形就可以（很多單片機(jī)都有專(zhuān)用pwm輸出功能，有定時(shí)器就能做到）。驅(qū)動(dòng)級(jí)，在控制級(jí)后。因?yàn)閱纹瑱C(jī)弱電不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)這樣的強(qiáng)電，所以需要用功率開(kāi)關(guān)器件（如mosfet等）來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)?；舅悸肪褪峭ㄟ^(guò)弱電控制強(qiáng)電。通常，驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制

29、級(jí)還需要電氣隔離（光藕器件）保證安全。反饋級(jí)是為了實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速的。一般是電流反饋，也有用轉(zhuǎn)速反饋的，本系統(tǒng)采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)反饋控制的。pwm輸出的占空比具體是多少由單片機(jī)通過(guò)反饋的信息綜合運(yùn)算得到（是負(fù)反饋控制），pwm的輸出可通過(guò)atmega8單片機(jī)內(nèi)部的pwm通道輸出。給定轉(zhuǎn)速之后，電機(jī)啟動(dòng)，首先啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)起作用，電樞電流迅速增大，直至飽和。等到達(dá)到一定的時(shí)間限制或者當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到定值(該定值由內(nèi)部計(jì)算給出)之后然后電流環(huán)退出，由轉(zhuǎn)速環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速平滑達(dá)到給定值，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。直到電機(jī)得到新的給定值，轉(zhuǎn)速環(huán)再一次起作用將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在新的給定值。兩個(gè)控制器的控制參數(shù)(比例度、積分時(shí)間和

30、微分時(shí)間)的一組最佳值的確定，采用工程整定的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)在控制參數(shù)的工程整定過(guò)程中，先整定電流環(huán)(內(nèi)環(huán))，確定出電流控制器的一組最佳控制參數(shù)然后，將內(nèi)環(huán)作為轉(zhuǎn)速環(huán)(外環(huán))的一個(gè)環(huán)節(jié)，再對(duì)外環(huán)進(jìn)行工程整定，確定出轉(zhuǎn)速控制器的一組最佳控制參數(shù)還可以通過(guò)與pc機(jī)通信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電機(jī)的狀態(tài)，改變控制參數(shù)。3.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖3-1，圖中控制器atmega8單片機(jī)為系統(tǒng)的核心部件，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。電流和速度檢測(cè)模塊將反饋送到控制器中，控制器經(jīng)過(guò)pid算法改變pwm的占空比。鍵盤(pán)模塊給定轉(zhuǎn)速，顯示

31、模塊可以顯示直流電機(jī)的所測(cè)轉(zhuǎn)速。圖3-1設(shè)計(jì)系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)的工作原理：在鍵盤(pán)設(shè)定轉(zhuǎn)速后，在新的采樣周期到來(lái)時(shí)，光電編碼器測(cè)得電機(jī)的速度，并通過(guò)編碼器接口電路反饋到atmega8單片機(jī)中，電流檢測(cè)環(huán)測(cè)出電機(jī)中的電流，進(jìn)入atmega8中ad轉(zhuǎn)換通道。單片機(jī)通過(guò)比較預(yù)定義的運(yùn)動(dòng)速度與實(shí)際的電機(jī)速度(反饋速度)得到偏差，然后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)pid控制算法輸出，此輸出量又與電流反饋比較得到偏差，經(jīng)過(guò)電流環(huán)pid調(diào)節(jié)輸出控制量，單片機(jī)根據(jù)得到的控制量，改變輸出pwm信號(hào)的脈寬。pwm信號(hào)通過(guò)光耦隔離，經(jīng)l298進(jìn)行功率放大輸出控制直流電機(jī)，然后進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1 atmega8單片

32、機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)核心芯片、電源、復(fù)位電路、下載電路等幾部分等。下面依次介紹這幾個(gè)模塊。4.1.1 atmega8的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)atmega 系列單片機(jī)承襲了avr系列中at90所具有的特點(diǎn)，并增加了更多的接口功能，而且在省電性、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面都更加周全和完善。atmega8屬于atmega系列單片機(jī)（atmega16/ atmega32/ atmega64/ atmega128）的一個(gè)子集，其內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路，并且在軟件上能有效支持; 高級(jí)語(yǔ)言及匯編語(yǔ)言。atmega8是一款采用低功耗cmos工藝生產(chǎn)的基于avr risc（精簡(jiǎn)

33、指令集）結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。avr單片機(jī)的核心是將32個(gè)通用工作寄存器和豐富的指令集連接在一起，所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏輯單元(alu)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)可提高代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間公為一個(gè)時(shí)鐘周期，故可達(dá)到將近1mips/mhz的性能，運(yùn)行速度比普通單片機(jī)高出10倍。atmega8的主要性能如下：(1)高性能、低功耗的8位avr微控制器。采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)risc指令集結(jié)構(gòu)；有130條功能強(qiáng)大的指令+大多數(shù)為單周期指令；內(nèi)含32個(gè)8位通用工作寄存器；工作在16mhz時(shí)指令處理速度為16mips.(2)片內(nèi)集成了較大容量的非易失性

34、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8k字節(jié)的flash程序存儲(chǔ)器的可擦寫(xiě)次數(shù)大于10000次；512個(gè)字節(jié)的擦寫(xiě)次數(shù)至少可達(dá)100000次；支持在線編程(isp)和在應(yīng)用編程(iap)；帶有可編程的程序加密位。(3)包括一個(gè)512字節(jié)的eeprom，eeprom集成在單片機(jī)內(nèi)部為整定各種固定的定值有非常大的好處，比如調(diào)速系統(tǒng)中非常重要的pid參數(shù)，死區(qū)參數(shù)等等，這樣為外圍電路又節(jié)省了一片eeprom，節(jié)省了成本。(4)atmega8整合了大量的外圍功能，所以極大的減少了整個(gè)系統(tǒng)的芯片數(shù)量，由于其口驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)而且自帶上拉電阻，所以可以不加上拉電阻驅(qū)動(dòng)共陰極碼管，一個(gè)口基本上可以驅(qū)動(dòng)6-8個(gè)共陰極的數(shù)碼管，足

35、見(jiàn)其驅(qū)動(dòng)能力是相當(dāng)高的上拉電阻的另一個(gè)好處是可以防止干擾，當(dāng)使能atmega8口的上拉電阻的最大好是可以避免干擾，而且為pcb節(jié)省了很多空間，因?yàn)槭∪チ舜罅康纳侠娮琛?5)帶有2個(gè)帶預(yù)分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)帶預(yù)分頻的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；3個(gè)pwm通道，可實(shí)現(xiàn)任意16位以內(nèi)相位和頻率可調(diào)的pwm脈寬調(diào)制輸出；一個(gè)串行接口、一個(gè)可編程的usart接口、一個(gè)支持主/從、收/發(fā)的spi同步串行接口。(6)一個(gè)10位的ad轉(zhuǎn)換，一個(gè)快速的模擬比較器和一個(gè)片上校準(zhǔn)的8mhz的rc內(nèi)部振蕩器，這樣的設(shè)計(jì)使得在對(duì)ad精度要求不高的應(yīng)用下，非常方便的將芯片應(yīng)用于中低端的控制領(lǐng)域，獨(dú)有的自編程功能使得升級(jí)

36、程序也非常的方便，如果選擇超過(guò)8k的版本，甚至可以在上面跑一個(gè)簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)。(7)該cpu內(nèi)部具有片內(nèi)rc振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；看門(mén)狗，可以在任何程序跑飛的情況下將cpu復(fù)位，從而保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障的運(yùn)行。(8)具有特殊的微控制器性能。內(nèi)含可控制的上電復(fù)位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測(cè)電路；芯片內(nèi)部和外部共有18+2個(gè)中斷源；5種休眠模式（空閑、adc噪聲抑制、省電、掉電、待命）。atmega8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示圖4-1 atmega8 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.1.2 atmega8單片機(jī)的最小系統(tǒng)的其他電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路一般由晶振和電容組成。單片機(jī)必須在周期性的時(shí)鐘信號(hào)的

37、作用下工作，如果沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)的限制，那單片機(jī)的工作就亂套了。對(duì)于atmega8單片機(jī)來(lái)說(shuō)，它內(nèi)部有經(jīng)過(guò)校正的內(nèi)部rc振蕩器，所以在對(duì)時(shí)鐘精度要求不高的場(chǎng)合，我們可以省去時(shí)鐘電路。復(fù)位電路：mcu的復(fù)位模式一般可分為高電平復(fù)位和低電平復(fù)位兩種模式。atmega8單片機(jī)是低電平復(fù)位，也就是說(shuō)當(dāng)avr單片機(jī)的復(fù)位引腳有一個(gè)持續(xù)50ns的低電平的時(shí)候，avr單片機(jī)就會(huì)復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位引腳平時(shí)被連接到電源正極的電阻嵌位在高電平，當(dāng)按鈕按下后，復(fù)位引腳被連到電源負(fù)極，當(dāng)按鈕松開(kāi)后，復(fù)位引腳重新變?yōu)楦唿c(diǎn)平，在按鈕按下和松開(kāi)這個(gè)過(guò)程一般至少持續(xù)100ms，這個(gè)時(shí)間足夠產(chǎn)生令單片機(jī)的復(fù)位脈沖了。與傳統(tǒng)的51單

38、片機(jī)相比，atmega8單片機(jī)內(nèi)置復(fù)位電路，并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)間，所以，atmega8可以不設(shè)外部上電復(fù)位電路，依然可以正常復(fù)位，穩(wěn)定工作。atmega8單片機(jī)復(fù)位電路和晶振電路的設(shè)計(jì)圖如圖4-2所示 圖4-2 atmega8單片機(jī)的復(fù)位和時(shí)鐘電路jtag接口使用單片機(jī)的4個(gè)專(zhuān)用引腳，它們是：tck，tms，tdi，tdo。硬件電路如圖4-3所示。圖 4-3 jtag接口電路4.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來(lái)源，無(wú)論哪種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)于該模塊考慮以兩種方案。方案一：通過(guò)電阻分壓的形式將整流后的電壓分別降為控制芯片和電機(jī)運(yùn)行所需的電壓，此種方案

39、原理和硬件電路連接都比較簡(jiǎn)單，但對(duì)能量的損耗大。方案二：通過(guò)固定芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓，穩(wěn)壓處理，此種方案可靠，安全性高，對(duì)能源的利用率高，并且電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用電機(jī)的供電選擇方案一，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速可以抗電網(wǎng)電壓，在本系統(tǒng)中的直流電機(jī)需要40v電源，而單片機(jī)，顯示模塊和其它芯片和電路需要5v的電源，需要有穩(wěn)定的電壓，因此電路中選用7805穩(wěn)壓芯片。穩(wěn)壓電路如圖4-4所示圖4-4 電源電路硬件圖4.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)4.3.1 h橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖4-5中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。如圖所示，h橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管，4個(gè)二極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，

40、必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。圖4-5 h橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，當(dāng)q1管和q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)q4回到電源負(fù)極。該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管q1和q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^指示為順時(shí)針?lè)较颍?。?dāng)三極管q2和q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。4.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案一般有兩種：方案一：對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī)常采用i

41、gbt作為主開(kāi)關(guān)元件；對(duì)中小功率的電機(jī)常采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為主開(kāi)關(guān)元件，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、易實(shí)現(xiàn)，但由于在驅(qū)動(dòng)電路中采用了大量的晶體管相互連接，使得電路復(fù)雜、可靠性下降。方案二：采用專(zhuān)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，比如常用的l293d、l298n、ta7257p、sn754410等。由于它們內(nèi)部已經(jīng)考慮到了電路的抗干擾能力，安全可靠，在使用時(shí)只考慮芯片的硬件連接、驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題就可以了。此種方案的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件的設(shè)計(jì)中，提高了工作效率?；谝陨戏治?，本系統(tǒng)選擇l298來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2 l298的介紹和和使用l298是雙h橋高電壓大電流功率集成電路，直接采用，ttl邏輯電平控制，

42、可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。它的驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46v，直流電流總和可達(dá)4a。其內(nèi)部具有2個(gè)完全相同的pwm功率放大回路，該芯片的主要特點(diǎn)如下：1 工作電壓達(dá)到46v；2 最大輸出直流電流可以達(dá)到4a；3 低飽和電壓；4 過(guò)溫保護(hù)；5 搞噪聲能力強(qiáng)vss邏輯電源：4.5-7v，本系統(tǒng)可取5v。l298的引腳功能如表4-1表4-1 l298的引腳功能表引腳名稱功能1 15sense a; sense b電流取樣輸出引腳2 3out1; out2橋a的輸出4vs電源5 7input1; input2橋a的與ttl兼容的輸入6 11enable a; enable a橋a

43、和橋b的與ttl兼容的輸入8gnd地9vss電源10 12input3; input4橋b的與ttl兼容的輸入13 14 out3; out4橋b的輸出l298n控制雙向直流電機(jī)的邏輯表如表4-2表4-2 l298n控制雙向直流電機(jī)的邏輯表ena（b）in1（ in3）in2（ in4）直流電機(jī)運(yùn)行情況 hhl正轉(zhuǎn)hlh反轉(zhuǎn)h同in2（ in4）同in1（ in3）快速停止lxx停止在實(shí)際使用中為了獲得更大的輸出電流，可以將in1 與in3， in2 與in4，out1與out2 ，out1與out2分別接在一起，l298n的4個(gè)輸入要采用光耦隔離。avr單片機(jī)atmega8輸出的pwm信號(hào)需

44、要經(jīng)過(guò)功率放大才能控制直流電機(jī)，本系統(tǒng)采用l298作為驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)vs=40v時(shí)，最高輸出電壓可達(dá)35v，連續(xù)電流可達(dá)4a。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。由l298構(gòu)成的pwm功率放大器的工作形式為單極可逆方式，單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè)pwm周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓。通過(guò)pwm信號(hào)輸入端in3和in4可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)(輸入端in1為pwm信號(hào)，輸入端in2為低電平，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端in2為pwm信

45、號(hào)，輸入端in1為低電平，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn))；當(dāng)它為低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋路上的4個(gè)晶體管全部截止，使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向，電動(dòng)機(jī)自由停止。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)調(diào)節(jié)pwm信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。l298硬件連接圖如圖 4-6圖 4-6 l298硬件連接圖3 l98保護(hù)電路設(shè)計(jì)比較器lm393主要起到了限制過(guò)流和保護(hù)l298的作用。lm393 是一塊比較器電路，其有兩個(gè)獨(dú)立，精確的電壓比較器組成，兩比較器是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)在電壓范圍較寬的單電源下工作，但在雙電源下也能工作，并且其電源大小不受電源電壓幅度大小影響。lm393的引腳說(shuō)明如表4-3表4-3lm393的引腳說(shuō)明引腳符號(hào)功能引腳符號(hào)功能1out1比較器1

46、輸出5in2+比較器2；正相輸入2in1-比較器1；反相輸入6in2-比較器2；反相輸入3in1+比較器1；正相輸入7out2比較器2輸出4gnd地8vcc電源lm393的同相端直接連到了一個(gè)可變電位計(jì)上，電位計(jì)的參考電壓是可調(diào)的。調(diào)節(jié)電位計(jì)的參考電壓能調(diào)節(jié)l298的限流電壓。lm393的反相端接到l298的sensea和senseb兩檢測(cè)端。當(dāng)檢測(cè)電阻兩端的電壓大于限流電壓時(shí)，比較器的反相端的電壓大于同相端的電壓，輸出端輸出低電平，從而把l298的ena和ena使能端拉低，l298停止工作。這就起到了限制過(guò)流和保護(hù)l298的作用。圖4-7為lm393硬件連接圖圖4-7 lm339與單片機(jī)的硬

47、件連接圖4.4 隔離模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用光耦隔離iso7220: iso7220是ti公司生產(chǎn)的光耦產(chǎn)品，該產(chǎn)品主要的應(yīng)用的場(chǎng)合有：1 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線2 計(jì)算機(jī)外部設(shè)備接口3 伺服控制接口4 數(shù)據(jù)采集iso7220的外部引腳圖如圖4-8圖4-8 光耦隔離iso7220引腳圖iso7220的引腳功能如表4-4表4-4 iso7220的引腳功能表引腳名稱功能1vcc1輸入端供電電源2ina輸入端a3inb輸入端b4gnd1輸入端的地5gnd2輸出端的地6outb輸出端b7outa輸出端a8vcc2輸出端供電電源注意實(shí)際使用時(shí)vcc1 vcc2具有兩個(gè)不同地的電源，利用5v/5v的dc隔離模塊可以獲

48、得兩個(gè)不同的5v電源。iso7220的硬件電路圖如圖4-9所示圖4-9 iso7220與單片機(jī)硬件連接圖4.5 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的給定有模擬給定和數(shù)字給定兩種方式。模擬給定是以模擬量表示的給定值，例如給定電位器的輸出電壓。模擬給定須經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再參與運(yùn)算。如圖4-10數(shù)字給定是用數(shù)字量表示的給定值，可以是撥盤(pán)設(shè)定，鍵盤(pán)設(shè)定或采用通信方式由上位機(jī)直接發(fā)送。如圖4-11所示圖 4-10 模擬給定圖 圖 4-11 數(shù)字給定圖鍵盤(pán)是單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的基本接口，是單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入的重要方式。本系統(tǒng)速度的給定采用鍵盤(pán)給定速度，按鍵還可以參數(shù)的輸入，電機(jī)起停的控制。鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)有兩種方案。

49、方案一：采用獨(dú)立式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各占用一位i/o的口線，它們之間狀態(tài)是獨(dú)立的，相互之間沒(méi)有影響，只要單獨(dú)測(cè)試口線電平的高低就能判斷鍵的狀態(tài)。在按鍵數(shù)量較多的情況下，采用獨(dú)立式接口方式就會(huì)占用太多的i/o口，故此鍵盤(pán)只適用于按鍵少的場(chǎng)合。方案二：采用行列式鍵盤(pán)，這種鍵盤(pán)的特點(diǎn)是行線、列線分別接輸入線、輸出線。按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。當(dāng)鍵被按下時(shí)，其交點(diǎn)的行線和列線接通，相應(yīng)的行線或列線上的電平發(fā)生變化，mcu通過(guò)檢測(cè)行或列線上的電平變化可以確定哪個(gè)按鍵被按下。矩陣式鍵盤(pán)適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，但只種鍵盤(pán)的軟件編程復(fù)雜些。本系統(tǒng)對(duì)軟件的運(yùn)行速度要

50、求不高，按鍵較多，所以采用4 x4的矩陣鍵盤(pán)。可以構(gòu)成16個(gè)鍵的鍵盤(pán)。各鍵的功能設(shè)置如下：0號(hào)鍵：?jiǎn)?dòng)鍵；1號(hào)鍵：確定鍵；211號(hào)鍵：設(shè)定速度鍵；其它的鍵是參數(shù)設(shè)置鍵。 鍵盤(pán)與單片機(jī)的硬件接口電路如圖4-12圖4-12 鍵盤(pán)電路與單片機(jī)硬件連接圖4.6 速度和電流檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)4.6.1 速度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在直流調(diào)速系統(tǒng)中，速度一般都有三種反饋形式：(1)測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋：(2)脈沖編碼器反饋；(3)電樞電壓反饋。電樞電壓負(fù)反饋是在忽略電樞電阻壓降的前提下近似反應(yīng)轉(zhuǎn)速信號(hào)的負(fù)反饋。但是在現(xiàn)場(chǎng)不具備條件的情況下或者是對(duì)于精度要求不高的情況下，還是經(jīng)常采用電樞電壓負(fù)反饋形式，因此在電路設(shè)計(jì)中電樞電壓

51、負(fù)反饋還是必不可少的。測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速是長(zhǎng)期以來(lái)一直使用的簡(jiǎn)便方法，直接將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。脈沖編碼器反饋不同于前兩種負(fù)反饋，電樞電壓負(fù)反饋和測(cè)速發(fā)電機(jī)負(fù)反饋信號(hào)是模擬信號(hào)，而脈沖編碼器反饋的信號(hào)則是數(shù)字信號(hào)。因此，不占用控制芯片的ad轉(zhuǎn)換資源，而且根據(jù)脈沖數(shù)量，可以計(jì)算出電機(jī)的位置，因此在位置控制系統(tǒng)中往往要求采用脈沖編碼器速度反饋。本系統(tǒng)采用光電編碼器測(cè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，光電編碼器聯(lián)接在直流電機(jī)上，在新的采樣周期到來(lái)時(shí)，光電編碼器測(cè)得的電機(jī)速度反饋信號(hào)通過(guò)encoder接口反饋到avr單片機(jī)atmega8。光電編碼器有4個(gè)端口，兩個(gè)電源端口兩個(gè)脈沖輸出端口(a，b)。光電編碼器

52、輸出信號(hào)形式如圖4-13圖4-13 光電編碼器輸出信號(hào)形式當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，a，b兩根線都產(chǎn)生脈沖輸出，它輸出a、b兩相相位相差的正交方波脈沖信號(hào)，a相或b相的每個(gè)脈沖代表被測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)的角度增量，對(duì)a相和b相的脈沖信號(hào)定時(shí)計(jì)數(shù)就可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)脈沖信號(hào)累加計(jì)數(shù)就可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)角。a相和b相的相位關(guān)系則反映了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)a的相位超前脈沖信號(hào)b的相位，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號(hào)a的相位滯后脈沖信號(hào)b的相位，因此根據(jù)超前與滯后的關(guān)系可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)向。b線用于測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)，b線與a線配合可以測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)編碼器的工作原理設(shè)計(jì)出編碼器硬件接口電路如圖4-1

53、4所示：圖4-14光電編碼器與單片機(jī)硬件連接圖編碼器的a和b兩相信號(hào)經(jīng)過(guò)上拉電阻，再經(jīng)過(guò)cd40106施密特整形，分別接到avr 單片機(jī)atmega8的pc5和int0 引腳上。單片機(jī)對(duì)int0 的中斷次數(shù)計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量通道b的脈沖數(shù)，讀取pc5（即a相信號(hào)）的電平狀態(tài)來(lái)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。以上升沿觸發(fā)為例，當(dāng)b路信號(hào)的上升沿引起中斷時(shí)，單片機(jī)判斷pc5信號(hào)的電平高低。若pc5為低電平，則電機(jī)為正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器n值加1；若為高電平，則電機(jī)為反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器n值減1。則電機(jī)的速度即為一個(gè)采樣周期中n值的變化量。電機(jī)的轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速w為：w=c式中c變換系數(shù)，可根據(jù)轉(zhuǎn)速的量綱來(lái)選擇 一個(gè)采樣周期中的計(jì)數(shù)值，它

54、的符號(hào)反映電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向采樣周期，4.6.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)是電流控制的需要，也是電流保護(hù)的要求。電流檢測(cè)方法有電阻檢測(cè)，光耦檢測(cè)，電流霍爾電流傳感器等方法，電路檢測(cè)方式包括：電流采樣，電流互感器和霍爾傳感器。在本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，采用電流霍爾電流傳感器，霍爾傳感器具有測(cè)量精度高，線性度好，響應(yīng)快，隔離徹底的特點(diǎn)，近來(lái)在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用，霍爾電流傳感器輸出的小電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓采樣電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將反饋送到atmega8的adc通道進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與電流環(huán)的輸出量進(jìn)行比較，輸出轉(zhuǎn)速的控制量。atmega8內(nèi)部有10位ad轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度較高，ad轉(zhuǎn)換的參考電壓選擇a

55、tmega8內(nèi)部的2.56v參考電壓。本系統(tǒng)電流采樣電路采用霍爾電流傳感器mrcs檢測(cè)流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流，通過(guò)電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)在調(diào)速的過(guò)程中保持該電流不變，從而保持輸出轉(zhuǎn)矩不變。組成電流電流傳感器的部分有導(dǎo)線、絕緣基片、insb-in磁阻元件mr1/mr2和永久磁鐵。半導(dǎo)磁阻式電流傳感器（mrcs）的工作原理是將導(dǎo)線電流產(chǎn)生的微弱磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化成和它成正比的電壓信號(hào)，可以通過(guò)流量電壓信號(hào)來(lái)得到電流值。mcrs與單片機(jī)的連接如圖4-15圖4-15 mcrs與atmega8的硬件連接圖4.7 轉(zhuǎn)速顯示電路模塊設(shè)計(jì)led數(shù)碼顯示器是單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用的顯示器件，由于atmega8只有23個(gè)i/o口，資源

56、很有限，采用74ls164擴(kuò)展。74ls164是一個(gè)串行輸入并行輸出的移位寄存器，可用于擴(kuò)展并行輸出口。本文采用了74ls164 這個(gè)串入并出的移位寄存器,很好地解決了atmega8與l ed 的顯示接口電路。atmega8余下的并行i/ o 口線不足12個(gè),數(shù)據(jù)的并行輸出已不可能,但可以考慮串行輸出方法。該電路只使用atmega8的2個(gè)端口,配接4 片串入并出移位寄存器74ls164，本系統(tǒng)要用4個(gè)數(shù)碼管，所以要用4個(gè)74ls164。74ls164為8位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：當(dāng)清除端（clear）為低電平時(shí)，輸出端（qaqh）均為低電平。 串行數(shù)據(jù)輸入端（a，b）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) a、b任意一個(gè)為 低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（clock）脈沖上升沿作用下q0 為低電平。當(dāng)a、b 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在clock 上升沿作用下決定