直流电机调速论文

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

3．1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。

3．2总体设计方案

3．2．1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。

3．2．2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A VR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。

3．2．3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。

图1 系统组成框图

4、系统硬件的设计与实现

4．1 ATmega16单片机主控制电路图

ATmega16芯片介绍：该芯片是基于增强的A VR 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(PA7—PA0)：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(PB7—PB0)：8位双向I/O口。

端口C(PC7—PC0)：8位双向I/O口。

端口D(PD7—PD0)：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。

A VCC：A VCC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

4．2 主要单元电路的设计

4．2．1 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4．2．2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4．2．3 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：Vcc→Q1→M→D2→Q4→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：Vcc→Q2→M→D1→Q3→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

4．2．4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。

5．1 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。A VR 单片机可以轻松实现PWM功能。ATmega16的timer0和timer2都具有PWM功