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1、昆昆 明明 学学 院院2013 届毕业设计（论文）届毕业设计（论文）设计（论文）题目设计（论文）题目 基于基于 AVR 单片机的直流电机单片机的直流电机调速控制系统设计调速控制系统设计 子课题题目子课题题目 姓姓 名名 陈宗林陈宗林 学学 号号 2009041720320090417203 所所 属属 院（系）院（系） 自机学院自机系自机学院自机系 专业年级专业年级 电气工程电气工程 指导教师指导教师 冯维杰冯维杰 20132013 年年 5 5 月月摘要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
2、(PWM) 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 AVR 单片机 ATmega16 产生 PWM 信号、RI2110 驱动、行列式键盘控制及 LCD 显示，并采取转速、电流双闭环 PID 算法对直流电机进行调速控制的直流电机 PWM 调速系统。关键词：关键词：AVRAVR；双闭环；双闭环；PWMPWM；直流电机调速；直流电机调速AbstractIn various mechanical and electrical systems, due to DC motor has a good start, braking and speed control
3、performance of DC drive technology has been widely used in industry, all aspects of the field of aerospace. The most commonly used technique is pulse-width modulated DC speed (PWM) DC converter technology, which has speed, high precision, fast response, wide speed range and low and the wear and tear
4、. This paper presents a PWM generated by the AVR microcontroller ATmega16 signal, RI2110-driven, the determinant of the keyboard control and LCD display, and to take speed, the current dual-loop PID algorithm to DC motor speed control of DC motor PWM speed control system.Keywords: AVR；Double-loop；PW
5、M；DC Motor Speed Control目录目录第一章第一章 绪论绪论1 1.1 绪论.1 1.2 直流电机常用调速方法以及调速发展方向.2 1.3 直流调速系统的研究现状4 1.4 直流电动机介绍.5 1.4.1 直流电机简介5 1.4.2 直流电机工作原理5 1.4.3 直流电机励磁6 1.5 直流电机的优越性.7 1.6 直流电动机的应用.7 第二章第二章 问题的提出和解决方案问题的提出和解决方案8 2.1 问题的提出.8 2.2 解决方案.8 第三章第三章 系统总体设计方案系统总体设计方案10 3.1 设计思路.10 3.2 方案论证与设计10 3.2.1 系统控制设计方案论证
6、与选择.10 3.2.2 电机控制电路的设计10 3.2.3 键盘电路的设计11 3.2.4 显示电路设计11 3.2.5 速度检测电路的设计11 3.3 系统组成11 3.4 ATMEGA 控制电路 .12 3.5 电源电路.12 3.6 主要电路单元的设计.13 3.6.1 RI2110 芯片功能及其特点13 3.6.2 电机驱动电路.14 3.6.3 显示电路设计16 3.6.4 键盘电路设计17 3.6.5 电机速度采集电路设计18 第四章第四章 系统软件设计与实现系统软件设计与实现21 4.1 算法实现及 PWM 脉冲产生.21 4.1.1 PID 算法.21 4.1.2 转速、电流
7、双闭环直流调速系统框图：.22 4.2 PWM 软件设计.23 4.2.1 产生 PWM 信号 4 种方法244.3 调节器设计.25 4.3.1 电流调节的设计26 4.3.2 转速调节器设计28 4.4 主流程图.30 4.5 系统主程序（包含 PWM 波产生程序）.31 4.6 键盘程序流程.39 4.7 键盘程序.40 4.8 定时器程序流程.42 4.9 定时器程序.42 4.10 显示程序流程44 4.11 显示器程序.45 4.12 定时器程序.47 第五章第五章 系统仿真系统仿真49 第六章第六章 结论结论50 参考文献参考文献51 附录附录52 辞谢辞谢681第一章第一章 绪
8、论绪论1.1 绪论绪论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
9、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/O 功能等方向发展。随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
10、、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 PWM 调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 PWM 调速系统的数学模型，用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2制算法的探讨等内容。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
11、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。1.2 直流电机常用调速方法以及调速发展方向直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。 二.三十年代末，出现了发电机-电动机(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，
12、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.自出现汞弧变流器后，利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。四.1957 年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统
13、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3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、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系
14、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 SIMOREG K6RA24、ABB 公司的 PAD/PSD 等等。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
15、，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，FPGA/CPLD、DSP 控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 MOSFET 和 IGBT 逐渐
