直流电动机的单片机恒速控制系统设计.doc

1、摘 要 随着电力电子技术的不断发展和完善，直流调速装置已由模拟量控制变为数字量控制，与模拟量控制的直流调速装置相比，数字式直流调速装置不仅控制精确、运行稳定，而且硬件电路结构简单、操作灵活。采用ATMEL公司AVR系列单片机ATmgea 16作为控制芯片，兼顾成本与性能要求。本文设计了一种以ATmega 16单片机为核心的数字式小型直流电机恒速装置，该装置具有成本低、工作性能稳定、可靠等优点。 与交流电动机相比，直流电动机结构复杂，成本高，运行维护困难。但直流电动机 具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。根据直流电

2、机的固有机械特性，本文设计了一种直流电动机转速恒值控制系统装置。该装置通过对普通三极管进行PWM控制，使其输出可控的直流电压进而实现直流调速，采用频率发电机测量电动机的转速。该装置采用闭环数字式PID控制，设计包括转速给定、转速显示、转速检侧和PWM输出等硬件、软件设计，文中最后对转速恒值控制效果的分析和调试阶段遇到的相关问题进行了阐述，并提出了行之有效的硬件、软件抗干扰措施和解决调试过程中相关问题的对策。通过编程、调试，所设计的直流恒速控制装置工作稳定、控制准确，实现了低成本、高性能的设计要求，弥补了现有恒速装置价格昂贵等缺点，该装置的研制具有一定的现实意义和可行性。关键词：直流电机；恒速；

3、单片机；PWM；PIDAbstractWith the development and achievement of the computer electronic technology, the instrument of DC electromotor driver has changed from simulative control into digital control. Compared with the former one, the instrument of digital controlling is not only with high precision in con

4、trolling and stabilization in movement, but also with the simple circuit and the flexible controlling. ATmage 16 an AVR series MCU product of ATMEL Company has been used. The consideration between low-cost and good-controlling performance has been well balanced by choosing this central-controlling u

5、nit. There is a kind of direct current motor speed control system was designed based on the ATmage 16 of single-Chip Computer, and this instrument possesses the characteristics of low-cost, steady and dependable capability and so on.Compare with AC electromotor, DC electromotor is more complex. The

6、cost is expensive and the maintenance is difficult. But DC motor has some merits, such as batter speed performance, bigger starting torque and stronger overload capacity, etc. Therefore, it is applied widely in many industries. According to the natural characteristics of DC motor, the instrument of

7、DC electromotor driver was based on the changing control transistor by PWM. It uses the frequency generator motor speed measurement to change the rectifying volt and achieve the purpose of the speed control. The system adopts the double-loops PID as the speed control. This paper includes the design

8、of hardware and software on the setting, displaying, inspecting of speed. At last, there are expatiations about the anti-jamming of system and the problem during the process of debugging; at the same time it provides some effective measures of anti-jamming by hardware and software and the methods wh

9、ich enable to solve relative problems during the debugging.Through the programming and debugging, this instrument achieves the requests of the design, remedies the disadvantages of existing instrument like high prices .The study and device of this instrument has some practical significance and feasi

10、bility.Key words: DC motor; Single-Chip Computer; speed control; PWM; PID目 录引言11绪论11.1直流电机的原理结构11.2直流电动机的调速方法31.3直流主要调速系统的供电方式41.4选题的目的、意义和主要内容42直流电动机恒速控制系统的原理和方案设计62.1系统的工作原理62.2总方案的确定62.3系统主要功能73直流电动机恒速系统的硬件设计83.1系统硬件结构的总体设计83.2系统主要芯片介绍83.3系统硬件电路组成93.3.1 ATmega16 单片机的性能及特点93.3.2 运算放大器LM358内部结构和引脚功

11、能103.3.4显示电路设计113.3.5 数字测速硬件电路设计133.3.6直流电机驱动电路133.3.7系统电源设计153.4单片机系统可靠性设计163.4.1接地技术163.4.2 PCB布线163.4.3抗电磁干扰技术183.5试验装置的结构设计184直流电动机恒速系统的软件设计214.1主程序设计214.1.1转速显示程序设计244.1.2PID运算程序设计254.2中断服务程序设计284.2.1定时采样中断程序设计294.2.2转速检测计数中断305转速恒值控制效果的测试数据及分析315.1系统硬件调试315.2系统软件调试335.3测试数据分析396.结论42谢 辞43参考文献4

12、4附 录45引言 在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，随着生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方使，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可卖现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的使用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用在自动控制要求较高的各种生产部门，是日前调速系统的主要形式。1绪论 永磁直流电动机具备的优

13、越的起动性能和调速特性。随着工业的发展，对小型直流电机的调速越来越高的要求。但要想提高调速系统的精度和动态响应，必须引入适当的反馈信息构成闭环系统，以控制变压电源随着工况变化而自动调整输出电压，达到变速或稳速的目的。为此我们应用ATmega 16单片机系统，利用频率发电机来测速，利用单片机自带的PWM功能来调速。1.1直流电机的原理结构（一）定义：定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流电机，将机械能转换为电能。（二）直流电机的结构：直流电机由定子和转子两部分组成，其间有

14、一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 （三）直流电机的励磁方式：直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势

15、而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。 图1.1直流电机的励磁方式1）他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。2）并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3）串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。4）复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。（四）、直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图