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#includevoid 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 onlyDDRC = 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; //stopTCNT0 = 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 upCLI(); //disable all interruptsport_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 initialized}void 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）。