基于AVR单片机的直流电机调速控制系统设计

昆 明 学 院 2013 届毕业设计（论文） 设计（论文）题目 基于 片机的直流电机调速控制系统设计 子课题题目 姓 名 陈宗林 学 号 20090417203 所 属 院（系） 自机学院自机系 专业年级 电气工程 指导教师 冯维杰 2013 年 5 月 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(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 片机 生 号、 动、行列式键盘控制及 示，并采取转速、电流双闭环 法对直流电机进行调速控制的直流电机 速系统。 关键词： 闭环； 流电机调速 n C a C in of of is C DC a by VR of CD to ID C C WM 目录 第一章 绪论 . 1 论 . 1 流电机常用调速方法以及调速发展方 向 . 2 流调速系统的研究现状 . 4 流电动机介绍 . 5 流电机简介 . 5 流电机工作原理 . 5 流电机励磁 . 6 流电机的优越性 . 7 流电动机的应用 . 7 第二章 问题的提出和解决方案 . 8 题的提出 . 8 决方案 . 8 第三章 系统总体设计方案 . 9 计思路 . 9 案论证与设计 . 10 . 10 机控制电路的设计 . 10 盘电路的设计 . 10 示电路设计 . 10 度检测电路的设计 . 11 统组成 . 11 制电路 . 11 源电路 . 错误 !未定义书签。 要电路单元的设计 . 17 片功能及其特点 . 17 机驱动电路 . 18 示电路设计 . 20 盘电路设计 . 21 机速度采集电路设计 . 22 第四章 系统软件设计与实现 . 25 法实现及 冲产生 . 26 法 . 26 速、电流双闭环直流调速系统框图： . 错误 !未定义书签。 件设计 . 错误 !未定义书签。 生 号 4 种方法 . 错误 !未定义书签。 节器设计 . 错误 !未定义书签。 流调节的设 计 . 错误 !未定义书签。 速调节器设计 . 错误 !未定义书签。 流程图 . 30 统主程序（包含 产生程序） . 31 盘程序流程 . 39 盘程序 . 40 时器程序流程 . 42 时器程序 . 42 示程序流程 . 44 示器程序 . 45 时器程序 . 47 第五章 系统仿真 . 49 第六章 结论 . 50 参考文献 . 51 附录 . 52 辞谢 . 67 1 第一 章 绪论 论 1 现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制，近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流电机具有优良的调速特 性，它具有调速平滑、方便、调速范围广的特点，并且过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转，在生产过程自动化系统中需要直流电机能满足各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已经远远不能满足现代科技的要求，并且随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求日益增大，并对其性能提出了更高的要求，为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。本课题正是以此为出发点，利用单片机来实现对直流电机转速的监 测和控制。 单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心 单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强 I/着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控 制、自动化、智能化等方面， 特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有体积小、功能全、抗干扰能力强、可靠性高、结构合理、指令丰富、控制功能强、 造价低等 众多优点 。 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 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 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 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 2 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。 流电机常用调速方法以及调速发展方向 常用的控制直流电动机有以下几种 ： 一 最初的直流调速系统是采用恒定 的直流电压向直流电动机电枢供电 通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。 二 现了发电机 也称为旋转变流组 )，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围 (十比一至数十比一 )较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与 调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。 三 用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。 四 其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点， 采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在 10000 以上，比机组 (放大倍数 10)高 1000倍，比汞弧变流器 (放大倍数 1000)高 10倍 ， 在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从 20世纪 80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及 3 低成本。 以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用 范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控 制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制 装置 也 不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的 6等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电 动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控 制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机， 制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（ 法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法， 4 开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。 在那些对电动机控制系统的性能要求较 高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。 流调速系统的研究现状 数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型 的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和 各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的 国的西门子公司、 本的三菱公司、东芝公司、美国的 司、西屋公司等，均已经开 发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从 20 世纪 60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有 :综合性最优控制，补偿 制 法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展， 缘栅双极型晶体管 )具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（ 称向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。 5 流电动机介绍 流电机简介 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 (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。 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 2 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 人，从电刷 出。所以当转子旋转时， A、 x 两个导体轮流交替地处于 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 流电机模型 直流电动机的电磁转矩常用下式表示 ： 6 T=a 式中 电动机结构系数； 每个磁极下的磁通 ( 电枢电流 (A)。 流电机励磁 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。 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关，如图 示，有较好的运行性能。 励电动机 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 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 磁电流与电枢电流相等。其主磁场 7 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。 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。 流电动机的应用 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。 8 第二章 问题的提出和解决方案 题的提出 在 实际的生产过程中，电机的运行状态至关重要，要求电机按照给定的转速来运行，但受负荷 变化 和电压波动 等因素 影响，电机的实际转速和给定转速会存在偏差 ，如果偏差较大， 会对生产过程带来很严重的后果。 决方案 为 使电机的实际转速能在给定误差范围内自动达到给定转速，特设计一个基于 片机的直流电机 速系统。设计思路在第三章中详细论证。 9 第三章 系统总体设计方案 计思路 题目要求设计一个基于 单片机 小型 直流电机 速控制系统 ， 设计要求如下： 1结构简单、成本低，电路板工作稳定可靠； 2能显示直流电机的实际转速，转速显示分辨力为 3直流电机的转速变化范围为电机正常转速的 80%左右，速度设定值无变化时控制误差 5%，匀变速时间可调； 4在外负载变化时能调整转速使之匀变速接近于设定值； 5单片机的程序代码采用 基于第二章中提出的问题解决方案和系统设计要求， 设计思路如下： 本次设计主要是利用 制技术对直流电机的转速进行控制，以 片机为控制核心，产生占空比受 时，利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机 中，构成转速闭环控制系统 ，达到转速无静差调节的目的。在系统中采用 128示 器作为显示部件，通过 4盘设置 P、 I、 D、 V 四个参数和正反转控制，启动后通过显示部件了解电机当前的转速和运行时间。因此该系统在硬件方面包括：电源模块、电机驱动模块、控制模块、人机交换模块。软件部分采用 C 语言进行程序设计，其优点为：可移植性强、算法容易、修改及调试方便、易读等。 本系统主要有以下特点： （ 1）使用光电传感器将电机转速转化为脉冲频率，比较精确地反映出电机的转速，从而与设定值进行比较产生偏差，实现比例、积分、微分的控制，达到转速无静差调节的目的。 （ 2）使用光电耦合器将主电路和控 制电路利用光隔开，使系统更加安全可靠。 （ 3） 126示模块提供一个人机对话界面，并实时显示电机运行速度和运行时间。 （ 4）利用 件进行系统仿真，从而进一步验证电路和 程序的正确性， 10 避免不必要损失。 （ 5）采用数字 法，利用软件实现控制，具有更灵活、更节约硬件等优点。 案论证与设计 统控制设计方案论证与选择 方案一：采用 时和单片机结合来实现 现实时控制。 方案二：直接采用 产生脉宽调制信号，经过 法来实现闭环控制。 由于系统要求比较简单，所以采用 片机来对电机进行控制。 机控制电路的设计 方案一：采用晶闸管 电动机控制系统（ 行控制。 方案二：采用专用电机控制集成芯片 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 便硬件设计，减少硬件带来更大的麻烦。 如 流容易连续、谐波少、低速性能好、稳 速精度高、调速范围宽等。 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。 示电路设计 显示电路采用 128示结果。 11 度检测电路的设计 速度测量采用光电编码器进行速度采集， 利用光电传感器将电机速度转化成脉冲频率反馈到单片机中，构成转速闭环控制系统 。 统组成 根据系统设计任务和要求，设计系统框图如 示。图中 控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机 中，并且 通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生 过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经 算后改变 现电机转速实时控制的目的。 图 统方案框图 统硬件分配 采用 速检测模块为电机转速测量装置， 用 128示器和 4 12 图 系统硬件分配图 绍 介 位 于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， 数据吞吐率高达 1 而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元 (相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 控制 器最高至 10 倍的数据吞吐率。 如下特点 :16有同时读写的能力，即 512 字节 1K 字节 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器 (T/C),片内 /外中断，可编程串行 起始条件检测器的通用串行接口， 8路 10位具有可选差分输入级可编程增益 (装 ) 的具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时 止工作，而 线接口、 A/D 转换器、 13 T/C、 口以及中断系统继续工作；停电模式时晶体振荡器 1停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； 声抑制模式时终止 除了异步定时器与 外所有 I/O 模块的工作，以降低换时的开关噪声； 式下只有晶体或谐振振荡 器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以 密度非易失性存储器技术生产的。片内 许程序存储器通过 行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 在更新应用 程序继续运行，实现了 作。 通过将 8 位系统内可编程的 成在一个芯片内， 为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。有一整套的编程与系统开发工具，包括： C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板。 脚及功能 源正 源地 端口 A： (端口 A：做为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 端口 B： (口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 B 处于高阻状态。端口 B 也 可以用做其他不同的特殊功 14 能 . 端口 C(端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 C 处于高阻状态。如果 使复位出现引脚 上拉电阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 . 端口 D(端口 D 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 . 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见 5。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 向振荡放大器的输出端。 与 A/使用 引脚应直接与 用 接。 A/D 的模拟基准输入引脚。 15 脚图 图 脚图 片机时钟电路 工作所需的时序又时钟产生， 片机可以采用两种时钟信号，一种是使用外部石英振荡器 ，如图 a）所示 ，一种是选用外部时钟作为系统时钟源 如图 b）所示 。 16 图 a） 图 b） 17 要电路单元的设计 片功能及其特点 1990 年前后开发并且投放市场的， 高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器，它把驱动高压侧和低压侧 需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输 出，驱动能力强响应速度快 工作电压比较高，可以达到 660v，其内设欠压封装，成本低，易于调试。 应用可以极大地提高控制系统的可靠性和运行成本。 本设计驱动电路采用了 集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。 下图为 脚图： 图 脚图 脚 1):低端输出 脚 2):公共端 脚 3):低端固定电源电压 18 脚 4): 空端 脚 5):高端浮置电源偏移电压 引脚 6):高端浮置电源电压 脚 7):高端输出 脚 8): 空端 脚 9):逻辑电源电压 脚 10): 逻辑高端输入 脚 11):关断 脚 12):逻辑低端输入 脚 13):逻辑电路地电位端，其值可以为 0V 脚 14):空端 机驱动电路 工作条件： 高端悬浮电源绝对值电压 +100V 低端输出电压 0至 端工作电源电压 100V 逻辑电源电压 +520V 逻辑电源参考电压 55V 图 19 机驱动电路主电路图 根据以上原理，我们可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充足的通