直流电机调速论文.doc

直流电机调速论文1、课题背景随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义.长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流系统的基础，长期以来，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。 2、课题功能 本次课程设计主要是设计一个直流电机的驱动电路，在给定速度后，当负载变化时，速度是稳定的，构建一个闭环的控制系统。 本论文介绍了基于ATmega16单片机来实现最优PID控制的直流脉冲（PWM）调速系统，并且详细论述了该系统的控制方法、结构、参数设计、程序设计等方面的问题。该系统结构简单，调速性能好，性能价格比高，真正实现了直流调速系统的高精度控制。3、系统设计31设计要求设计一个直流电机的驱动电路，在给定速度后，当负载变化时，速度是稳定的，构建一个闭环的控制系统。32总体设计方案321设计思路题目要求设计一个直流电机的驱动电路，系统可以分为控制部分和显示部分。设计中采用ATmega16芯片为主控制核心，行列式键盘为控制部分，显示部分采用液晶LCM1602显示。通过单片机软件产生PWM波来控制电机，经过测速电路和PID算法，实现电机速度的实时测量反馈和调节。322方案论证与设计1、系统控制设计方案论证与选择 方案一：采用MCS-51系列的单片机和专用的PWM芯片及外部D/A转换电路，同时结合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冲调制信号，经过PID算法，来对电机进行控制。 由于系统要求比较简单，考虑性价比上，所以采用ATmega16芯片，来对电机进行控制。2、电机控制电路的设计 方案一：采用专用电机控制集成芯片来控制电机转动，该方案电路简单、可靠。 方案二：直接采用四个三极管搭成桥式电路来控制电机的转动。 由于系统要求驱动电机为小电机，考虑性价比上，直接采用四个三极管进行控制。3、键盘电路的设计 由于系统要求功能简单，所以直接采用行式键盘进行控制。键盘用来输入启动、停止信号和设定的速度值。4、显示电路的设计 显示电路采用LCM1602进行显示。5、速度测量电路的设计 速度测量采用光电开关，进行速度采集，经过单片机中断，将采样的数据经过换算，显示出来。323系统组成 经过比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1所示，其中采用ATmega16为主控制芯片，采用1602进行显示，键盘控制电路和电机控制电路。按键控制模块ATmega16LCM1602显示电机驱动模块直流电机速度测量模块 图1 系统组成框图4、系统硬件的设计与实现41 ATmega16单片机主控制电路图 ATmega16芯片介绍：该芯片是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微处理器，数据吞吐率高达1MIPS/MHz。有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个定时器/计数器等。引脚说明：VCC：数字电路的电源GND：地端口A(PA7PA0)：端口A作为A/D转换器的模拟输入端，为8位双向I/O口。端口B(PB7PB0)：8位双向I/O口。端口C(PC7PC0)：8位双向I/O口。端口D(PD7PD0)：8位双向I/O口。RESET：复位输入引脚。XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2：反向振荡放大器的输出端。AVCC：AVCC是端口A与A/D转换器的电源AREF：A/D的模拟基准输入引脚。 图2 ATmega16单片机主控制电路图42 主要单元电路的设计421 显示电路的设计 该部分采用LCM1602液晶模块。LCM1602是一种使用非常广泛的液晶模块,它支持5*7点阵和2行*16字符2两种模式,背光亮度和显示对比度可调,是一种功能较齐全,价格较便宜的液晶显示器件。它由显示屏和驱动器两部分组成,单片机可通过写控制字的方式访问驱动器来实现对显示屏的控制。 图3 LCM1602显示电路图422键盘电路设计 键盘电路采用行式键盘电路 图4 键盘电路图423 电机驱动电路的设计 图5 电机驱动电路 工作原理简述如下： 当ctr_A=1,ctr_B=0：则Q4导通Q2截止，Q3截止Q1导通。 于是电流i流经电机M的路径为：VccQ1MD2Q4地，电机正转。 当ctr_A=0,ctr_B=1：则Q3导通Q1截止，Q4截止Q2导通。 于是电流i流经电机M的路径为：VccQ2MD1Q3地，电机反转。 采用光耦电路进行电路隔离，有效提高电路的抗干扰性，当OC1A为1时，则ctr_A=1,当OC1A为0时，则ctr_A=0。 图6 光耦电路424电机测速电路的设计 电机转速测量电路，采用光电开关进行对脉冲计数。图7 电机测速电路图5、软件设计 软件编写主要包括PWM波形的产生，电机转速的实时检测，PID控制算法，键盘扫描和液晶显示程序。51 核心部分算法1、PWM波形的产生 脉冲调制PWM开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。通俗说的PWM就是波形，波形的波峰与波谷的关系成为占空比，可以通过PWM来控制电机。AVR单片机可以轻松实现PWM功能。ATmega16的timer0和timer2都具有PWM功能，timer0和timer2都为8位定时器。timer2为异步操作定时器，在操作过程中要等待寄存器状态更改完成。本设计中设定使用timer0来实现PWM功能。OC0 output mode 设定了PWM输出控制选择：正常的端口操作，不与OC0 相连接， 比较匹配发生时OC0 取反， 比较匹配发生时OC0 清零， 比较匹配发生时OC0 置位。Waveform mode设定了波形产生模式：比较匹配输出模式，快速PWM 模式，相位修正PWM 模式。程序代码如下：#include #include void port_init(void) PORTA = 0x00; DDRA = 0x00; DDRB = 0x08; /PB3为PWM输出，非常重要，否则无法输出波形 DDRB = 0x00; PORTC = 0x00; /m103 output only DDRC = 0x00; PORTD = 0x00; DDRD = 0x00;/TIMER0 initialize - prescale:64/ WGM: Normal/ desired value: 1KHz/ actual value: 1.002KHz (0.2%)void timer0_init(void) TCCR0 = 0x00; /stop TCNT0 = 0x8D; /设置定时器计数值 /*TCNT0*/ OCR0 = 0x73; /设置定时器比较的值 /*OCR0*/ TCCR0 = 0x23; /初始化控制 timer0的寄存器/*TCCR0*/#pragma interrupt_handler timer0_comp_isr:20void timer0_comp_isr(void) /compare occured TCNT0=OCR0#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10void timer0_ovf_isr(void) TCNT0 = 0x8D; /reload counter value/call this routine to initialize all peripheralsvoid init_devices(void) /stop errant interrupts until set up CLI(); /disable all interrupts port_init(); timer0_init(); MCUCR = 0x00; GICR = 0x00; TIMSK = 0x03; /定时器中断选项 /*TIMSK*/ SEI(); /re-enable interrupts /all peripherals are now initializedvoid main(void) /*加上这些，程序就可以运行了。*/ init_devices(); while(1) ;程序中几个关键的寄存器的意义：1.TCNT0：定时器计数值，定时过程中不断增大，溢出后重新置数，开始下一轮。 2.OCR0：定时器比较的值，当TCNT0 OCR0时，会产生timer0_comp_isr中断。 3. TCCR0：控制timer0的寄存器。4. TIMSK：定时器中断选项，这里允许timer0比较中断，溢出中断。 5. 预分频器：预分频器是独立运行的。也就是说，其操作独立于T/C 的时钟选择逻辑，且它由T/C1 与 T/C0 共享。由于预分频器不受T/C 时钟选择的影响，预分频器的状态需要包含预分频时钟 被用到何处这样的信息。一个典型的例子发生在定时器使能并由预分频器驱动(6 CSn2:0 1)的时候：从计时器使能到第一次开始计数可能花费 1 到N+1个系统时钟周期， 其中N 等于预分频因子(8、64、256 或1024)。 PWM的工作流程：1.初始化，定时器开始工作，TCNT0逐渐增大，在预分频这么多个时钟周期里变化一次。 2.输出比较寄存器包含一个8 位的数据，不间断地与计数器数值TCNT0 进行比较。匹配事件可以用来产生输出比较中断，或者用来在OC0 引脚上产生波形。 3.TCNT0溢出，溢出中断用于在OC0上产生波形，置位或者清零。 4.TCNT0复位，进行下一次定时操作。 PWM的占空比：调节PWM的占空比，只需要用程序更改OCR0的值即可，根据不同的情况，可能是增加也可能是减小。注意：因为Timer2是异步控制器，使用Timer2时，调节OCR2需要等待寄存器更新完成才能进行其他操作。2、PID控制算法要使电机的转速稳定在某一预定的转速，需要随时监测（采样）电机的转速并与预定值（设定值）相比较，根据比较的结果来不断调整电机的转速，使之尽量接近设定值，这一过程成为闭环反馈控制，其控制方法（控制策略）称为控制算法，控制算法可以有多种多样，其中典型的一种算法叫做PID（比例积分微分）算法（或PID控制）。PID控制有连续PID控制和数字PID控制两种，前者由模拟电子线路构成，不含智能元件（单片机），后者以微计算机为核心构成。 数字PID控制常常采用增量PID算法，表达式如下： y(k)=y(k-1)+y(k) 其中y(k)第k次输出的控制（信号）值 y(k-1)前一次输出的控制（信号）值 y(k)输出增量（可为正、负数） y(k)=kpe(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中kp比例系数 Ki积分系数 Kd微分系数e(k)：第k次采样时的偏差值（采样值与设定值之差）e(k-1)：第k-1次采样时的偏差值（采样值与设定值之差）e(k-2)：第k-2次采样时的偏差值（采样值与设定值之差）闭环系统框图如下： PID算法执行机构被控对象采 样（检 测）设定值r偏差ey采样值程序代码如下： void PID() int y; /本次速度值 float u; /电压差值 int z; /输出增量 int t; /采样时间 char temp1; /暂存 int I; int speed; /速度设定 float k3; / PID参数记录 for(i=0;i8; Data7=y; Putdata(Data); temp1=temp1+z; if(temp1=0xf0) /结果大于0xf0时输出0xf0 temp1=0xf0;OCR2=temp1;Ek_2=Ek_1;Ek_1=Ek;TCNT2=0x0000; /计数器清零 52程序流程图开始初始化电机转速脉冲计数加1定时器定时计算当前电机转速PID算法判断脉冲是否大于设定值PWM输出外部中断计数开中断定时到开中断是 图5.2.1主程序流程图初始化取出速度命令字返回结束 图5.2.2速度控制程序流程图 初始化计算电机转速与定值比较调用PID子程序结束 图5.2.3测速中断服务程序流程图开始计算控制参数A、B、C初始值e (k-1)=e (k-2)=0本次采样输入c (k)计算偏差值e (k)=r (k)-c (k)计算控制量u (k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)输出u (k)为下一时刻做准备e(k-1)e(k-2),e(k)e(k-1)采样时间到了吗NYD/A转换被控对象A/D转换 图5.2.4 PID算法流程图初始化定时器开始工作TCNT0逐渐增大，在预分频这么多个时钟周期里变化一次TCNT0的值与OCR0的值比较TCNT0溢出，产生波形TCNT0复位下一次定时操作 图5.2.5 PWM波形的产生流程图6、调试61硬件调试 硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器，通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序，检查用户系统硬件中存在的故障。硬件调试可分为静态调试和动态调试。 1、静态调试 首先，对每一块加工好的印刷电路板要仔细的检查，检查它的印制线是否断线，是否有毛刺，是否与其他印制线或焊盘或过孔粘连，焊盘是否脱落，过孔是否有未金属化等现象，查出的故障及时排除。然后用万用表复核认为可疑的连接线或接点，检查它们的通断状态是否与设计规格相符。再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象并排除。最后，加电检查，加电过程中细心观察芯片或器件是否出现打火、过热、变色、冒烟和异味等现象，如有，立即断电检查。 2、动态调试 首先按逻辑功能将用户系统硬件电路分为若干模块进行单独调试。调试某模块时将整个电路板中与该模块无关的器件全部拔除，当各独立模块调试无故障后，然后逐步将接近的相关模块加入到应用系统中，并每加入一个模块后再对各模块功能进行调试，若在这个过程中出现故障，则基本上是各模块协调关系上出了问题。62软件调试 首先，采取先使用断点运行方式以查看程序运行中间结果，将程序故障定位在一个较小的范围内。然后，针对故障程序段再使用单步运行调试方法来精确定位错误所在。最后，要连续运行调试，以防止某些错误在单步运行调试时被掩盖。 有些实时性操作（如中断等）必须采用连续运行方式来调试，为了准确地对错误进行定位，可使用连续加断点运行方式来调试这类程序。最终确定出错误位置并加以排除。7、总结本次课程设计我做的是直