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陕西科技大学毕业论文（设计说明书）
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基于AVR的直流电动机双闭环调速系统
基于AVR的直流电动机双闭环调速系统
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(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、L298 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：AVR，双闭环，PWM，直流电机调速
AVR-based dual-loop DC motor speed regulation system
ABSTRACT
In various mechanical and electrical systems, due to DC motor has a good start, braking and speed control 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. This paper presents a PWM generated by the AVR microcontroller ATmega16 signal, L298-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.
KEY WORDS: AVR，Double-loop，PWM，DC Motor Speed Control
目 录
TOC \o "1-3" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc251872747" 1 绪论 1
HYPERLINK \l "_Toc251872748" 1.1 绪论 1
HYPERLINK \l "_Toc251872749" 1.2 直流电动机简介 1
HYPERLINK \l "_Toc251872750" 1.3 直流电机工作原理 2
HYPERLINK \l "_Toc251872751" 1.4 直流电机的励磁 2
HYPERLINK \l "_Toc251872752" 1.4.1他励电机励磁 2
HYPERLINK \l "_Toc251872753" 1.4.2自励电机励磁 3
HYPERLINK \l "_Toc251872754" 1.5 直流电机的优越性 3
HYPERLINK \l "_Toc251872755" 1.6 直流电动机应用 4
HYPERLINK \l "_Toc251872756" 2 选题背景 4
HYPERLINK \l "_Toc251872757" 2.1 问题的提出 4
HYPERLINK \l "_Toc251872758" 2.2 解决方案 4
HYPERLINK \l "_Toc251872759" 3 系统总设计方案 5
HYPERLINK \l "_Toc251872760" 3.1 设计思路 5
HYPERLINK \l "_Toc251872761" 3.2 方案论证与设计 5
HYPERLINK \l "_Toc251872762" 3.2.1系统控制设计方案论证与选择 5
HYPERLINK \l "_Toc251872763" 3.2.2电机控制电路的设计 6
HYPERLINK \l "_Toc251872764" 3.2.3键盘电路的设计 6
HYPERLINK \l "_Toc251872765" 3.2.4显示电路的设计 6
HYPERLINK \l "_Toc251872766" 3.2.5速度测量电路的设计 6
HYPERLINK \l "_Toc251872767" 3.2.6电流检测电路设计 6
HYPERLINK \l "_Toc251872768" 3.3 系统组成： 6
HYPERLINK \l "_Toc251872769" 3.4 ATMEGA控制电路 7
HYPERLINK \l "_Toc251872770" 3.5 电源及ISP 8
HYPERLINK \l "_Toc251872771" 3.6 主要电路单元的设计 8
HYPERLINK \l "_Toc251872772" 3.6.1.L298 驱动接口 8
HYPERLINK \l "_Toc251872773" 3.6.1.1.控制逻辑 9
HYPERLINK \l "_Toc251872774" 3.6.1.2. L298原理图 10
HYPERLINK \l "_Toc251872775" 3.6.2.显示电路设计 10
HYPERLINK \l "_Toc251872776" 3.6.2.1.液晶模块接线图 10
HYPERLINK \l "_Toc251872777" 3.6.2.2. 1062接口说明 11
HYPERLINK \l "_Toc251872778" 3.6.2.3.基本操作时序 11
HYPERLINK \l "_Toc251872779" 3.6.3.键盘电路设计 11
HYPERLINK \l "_Toc251872780" 3.6.3.1.行列式键盘电路 11
HYPERLINK \l "_Toc251872781" 3.6.3.2.按键抖动 12
HYPERLINK \l "_Toc251872782" 3.6.3.3.去抖方法 12
HYPERLINK \l "_Toc251872783" 3.6.4电机测速电路设计 12
HYPERLINK \l "_Toc251872784" 3.6.5光电编码器的工作原理： 13
HYPERLINK \l "_Toc251872785" 3.6.5.1.绝对式编码器 13
HYPERLINK \l "_Toc251872786" 3.6.5.2.增量式编码器 14
HYPERLINK \l "_Toc251872787" 3.6.5.3.转速转向信号处理 14
HYPERLINK \l "_Toc251872788" 3.6.6电枢电流测量 15
HYPERLINK \l "_Toc251872789" 3.6.6.1.测量方法 15
HYPERLINK \l "_Toc251872790" 3.6.6.2. AVR数模转换特点 15
HYPERLINK \l "_Toc251872791" 4 系统软件设计与实现 16
HYPERLINK \l "_Toc251872792" 4.1 PWM软件设计 18
HYPERLINK \l "_Toc251872793" 4.1.1产生PWM信号4种方法 18
HYPERLINK \l "_Toc251872794" 4.1.2AVR单片机输出PWM的程序 19
HYPERLINK \l "_Toc251872795" 4.2 转向与速度检测 19
HYPERLINK \l "_Toc251872796" 4.2.1测速原理 19
HYPERLINK \l "_Toc251872797" 4.2.2脉冲数字（P/D）转换方法 20
HYPERLINK \l "_Toc251872798" 4.2.3M/T法测速软件设计 20
HYPERLINK \l "_Toc251872799" 4.2.4M/T 法数字测速软件图 21
HYPERLINK \l "_Toc251872800" 4.2.5转向的判断 23
HYPERLINK \l "_Toc251872801" 4.3 电流检测原理 23
HYPERLINK \l "_Toc251872802" 4.3.1AD转换程序 23
HYPERLINK \l "_Toc251872803" 4.4 调节器的设计 24
HYPERLINK \l "_Toc251872804" 4.4.1电流调节器的设计 24
HYPERLINK \l "_Toc251872805" 4.4.2转速调节器的设计 27
HYPERLINK \l "_Toc251872806" 4.5 PID程序流程图： 29
HYPERLINK \l "_Toc251872807" 5 系统调试结果 30
HYPERLINK \l "_Toc251872808" 6 总结 31
HYPERLINK \l "_Toc251872809" 致谢 32
HYPERLINK \l "_Toc251872810" 参考文献 33
绪论
绪论
当今，自动化控制系统己经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。
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，本文在对控制对象全面回顾的基础上，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。
直流电动机简介
直流电动机是将直流电能转换成机械能的装置。在磁场中放如通有电流的导体就会产生磁感应效应。直流电动机是应用磁感应原理将电能转换为机械能的装置，其转子和定子分别由绕组和永久磁铁组成。直流电动机具有调速性能较好和起动转矩较大等优点。直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制(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。
直流电机工作原理
在直流电动机中，外加电压并不是直接加在线圈两端，而是通过电刷B1、B2和换向器再加到线圈上。由于电刷固定不动，对于图中的情况，电流i总是从电刷B1流人，从电刷B2流出。所以当转子旋转时，A、x两个导体轮流交替地处于N极和s极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，使电动机持续旋转。此时换向器起到将外电路的直流改变为线圈内交流的“逆变”作用。
图1-1 直流电机模型
直流电动机的电磁转矩常用下式表示
T=KTφIa
式中 KT——电动机结构系数；
φ——每个磁极下的磁通(wb)；
Ia——电枢电流(A)。
直流电机的励磁
直流电机的主磁场由励磁线圈通人直流电流产生，只有微型直流电机才采用永久磁铁。励磁方式是指励磁线圈的供电方式。直流电机的运行性能与励磁方式有密切的关系。按励磁供电方式不同，直流电机可分为他励和自励两大类。
他励电机励磁
他励电机的励磁电流由独立的直流电源供电，其大小与电枢两端电压无关，如图2—8a所示，有较好的运行性能。
自励电机励磁
自励电机的励磁绕组与电枢绕组连接，按连接方式不同又分为：并励、串励、复励三种，如图所示。
图1-2 直流电动机励磁
并励电机的励磁绕组与电枢绕组并联，因其励磁电流受电机端电压波动的影响故其运行性能略次于他励式电机。
串励电机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢电流相等。其主磁场的强弱与负载电流大小有直接关系，所以仅对电机有特殊性能要求时才采用。
复励电机的同一磁极有两套励磁绕组，一套绕组与电枢绕组并联(或其他电源供给)，另一套绕组与电枢绕组串联。
本文重点放在直流电动机运行特性和应用上。
直流电机的优越性
直流电机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。由于直流电机具有良好的线性调速特性、控制简单、效率高及优异的动态特性，长期以来一直占据着调速控制领域的统治地位。近年来，随着交流变频电机及无刷电机的调速控制技术的不断成熟，直流电机正面临着巨大的挑战。但在很多调速控制场合，直流电机仍是最佳选择。
直流电动机应用
在家用电器中的空调器、电冰箱、风扇、洗衣机、跑步机等应用直流电机已经十分普遍。在航空、军事设施应用领域里的雷达驱动、机载武器瞄准驱动、自行火炮火力控制驱动等等。在工业控制领域，机器人关节驱动和自动生产线、电子产品加工装备上的各种中小功率的驱动等。
选题背景
问题的提出
众所周知，直流电动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压认为零，相当于 差不多是其稳态工作值的1+K倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud一下子就达到它的最高值，对电机来说，相当于全压启动，当然是不允许的。
另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障是机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统静特性很硬，若无限流环节，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。
解决方案
为了为了解决反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，就应能保持电流基本不变，使它不超过允许值。然而对于经常正、反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可你轧钢机等，尽量缩短起、制动工程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使得转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
如图所示
图2-1 直流电动机双闭环理想快速启动过程
系统总设计方案
设计思路
题目要求设计一个基于AVR的直流电动机双闭环调速系统。系统可以分为控制部分、AD采样部分和显示部分。设计中采用Atmega16单片机为主控制核心，行列式键盘为控制部分，利用Atmega16的自带的AD作为AD采样电路，显示部分采用液晶1602显示。
方案论证与设计
系统控制设计方案论证与选择
方案一：采用DSP芯片来产生PWM信号来控制电机转动，同时和单片机结合来实现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宽调制信号，经过PID算法来实现闭环控制。
由于系统要求比较简单，所以采用Atmega16单片机来对电机进行控制。
电机控制电路的设计
方案一：采用晶闸管——电动机控制系统（V-M）进行控制。
方案二：采用专用电机控制集成芯片L298来控制电机转动，该方案电路简单，可靠。
方案三：直接采用4个三极管搭成桥式电路来控制电机的转动。
本设计采用方案二，采用芯片L298方便硬件设计，减少硬件带来更大的麻烦。相对于V——M调速，PWM调速有很多优点，比如PWM开关频率高、电流容易连续、谐波少、低速性能好、稳速精度高、调速范围宽等。
键盘电路的设计
由于系统要求控制功能少，所以直接采用行列式键盘进行控制。
显示电路的设计
显示电路采用LCM1602显示结果。
速度测量电路的设计
速度测量采用光电编码器进行速度采集，经过单片机中断将采样的数据换算。
电流检测电路设计
L298设有感应电流检测引脚1和引脚15，在1脚和地之间串入小于0.5欧姆的电阻，通过测量非地端电位即可计算出通过电阻电流即L298A路电流。详见本文4.3.6部分。
系统组成：
经过比较与论证，最终确定的系统组成框图如下，其中采用Atmega16为主控制芯片，采用1602进行显示，键盘控制电路。
系统控制结构如图3.1：
图3-1 系统硬件的设计与实现
ATMEGA控制电路
图3-2 avr控制电路接线图
电源及ISP
图3-3 电源及ISP接线图
主要电路单元的设计
L298 驱动接口
AVR 单片机ATMEGA16输出的脉宽调制( PWM) 信号需经过功率放大才能驱动电机,本调速控制系统采用的是L298 驱动芯片,驱动接口电路如图4.2所示。 L298 有单极性、双极性2 种工作方式。单极性工作方式指的是在一个PWM 周期内,电机的电枢只承受单极性的电压;双极性工作方式是指在一个 PWM 周期内电机电枢两端的电压呈正负变化。调速控制系统采用的是单极性工作方式。单片机的 PWM 输出引脚(PD4或PD5) 接L298 的EnA 和EnB 引脚,它控制着电机转速大小;单片机的PD6 或PD7 经过一定的逻辑电路接到L298 的IN1～IN4 输入引脚上,它控制电机的转动方向。为了增强L298 的驱动能力,本调速控制系统对L298 的两路驱动进行了并联使用,最大驱动能力可以达到3A。
图3-4 L298驱动电路接线图
控制逻辑
图3-5 电机控制逻辑图
当电机使能端A为高电平时，如果输入端M1 Direction 引脚为高电平，三极管导通，输入引脚1为低电平而输入引脚2为高电平，电机反转；如果输入端M1 Direction 引脚为低电平，三极管截止，输入引脚2为低电平而输入引脚1为高电平，电机正转；当电机使能端A为低电平时，电机停止。
L298原理图
图3-6 L298原理图
显示电路设计
显示给定的速度参数和经过PID调速后稳定的速度参数。
液晶模块接线图
图3-7 1602接线图
1062接口说明
表3-1 1602液晶接口说明
基本操作时序
键盘电路设计
行列式键盘电路
图3-8 行列式键盘电路
按键抖动
按键在闭合和断开时，触点会存在抖动现象。
图3-9 按键抖动
去抖方法
硬件方法：设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。
软件方法：指编制一段时间大于20ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延时一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。本设计采用软件方法。
电机测速电路设计
传感器接口电路用于对直流电机的输出量进行采样，以实现闭环控制。转速信号通过与直流电机同轴连接的增量式光电编码器输出的相差90度相角的两路方波信号获取。
光电编码器接线电路如图
图3-10 光电测速
3.6.4.1 光电编码器的工作原理：
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器， 光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90 的两路脉冲信号。
根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
3.6.4.2 绝对式编码器
绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。
3.6.4.3 增量式编码器
增量式光电编码器在圆盘上有规则地刻有透光和不透光的线条，在圆盘两侧安放发光元件和光敏元件。当圆盘随电机旋转时，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经过整理后变为脉冲。码盘上有相标志，每转一圈Z相输出一个脉冲。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90度的两路脉冲信号，如图4.9所示。
图3-11 增量式光电编码盘
3.6.4.4 转速转向信号处理
将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。编码盘输出Z相脉冲用于复位计数器，每转一圈复位一次计数器。
编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90度，当电机正转时（假设A相脉冲超前时为正转，反之为反转），A相脉冲超前B相脉冲90度，触发器总是在B脉冲为高电平触发，这时D触发器的输出端Q输出高电平。如图4.10所示。当电机反转时，B相脉冲超前A相脉冲90度，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平。由此确定电机的转动方向。
图3-12 光电编码盘工作原理图
3.6.5 电枢电流测量
3.6.5.1 测量方法
在L298的1脚和15脚串接电阻可分别检测L298A路和B路电流大小，由电路图可知电阻一端接地只要测量另一端电压即可算出电路电流。本文直接采用avr16自带的ad转换电路测量SEA端电压。
图3-13 L298一脚和十五脚感应电阻接线图
3.6.5.2 AVR数模转换特点
ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A 的8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0V (GND) 为基准。器件还支持16 路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0 与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D 转换前给差分输入电压提供0dB(1x)、20dB(10x) 或46dB(200x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1), 而其他任何ADC 输入可做为正输入端。如果使用1x 或10x 增益，可得到8 位分辨率。如果使用200x 增益，可得到7 位分辨率。ADC 包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC 的电压保持恒定。标称值为2.56V 的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。
系统软件设计与实现
软件编写主要包括PWM波形的产生，电机转速的实时检测、电机电枢电流实时测量，PID控制算法，键盘扫描和液晶显示程序。
如图程序框图的构成，当程序进入“初始化”时，开放外部中断，进行电机转速计数，当定时器定时1s到达时，停止计时和中断外部中断，转入计算当前转速，根据当前转速与AVR单片机给定的转速比较，采取PID算法的对直流电机进行调速控制，当超过PWM限幅值1024时，返回PID算法程序再进行直流电机调速控制，否则输出PWM信号。
1.控制总流程图
图4-1 程序流程图
2.转速、电流双闭环直流调速系统框图
图4-2 转速、电流双闭环直流调速系统
ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速
TA——电流检测仪 UPE——电力电子变换器 Un*——转速给定电压
Un——转速反馈电压 Ui*电流给定电压 Ui——电流反馈电压
PWM软件设计
脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压. PWM不是调节电流的.PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.
所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节.
（4-1）
其中：Ud——整流电压
Us——电源电压
ton——开通时间
T——开关周期
产生PWM信号4种方法
①分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方式是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路,是较早采用的方法,可靠性、可调性较差;
②软件模拟式利用单片机的一个I/O引脚,通过软件对该引脚输出高低电平来模拟PWM波,该方法占用CPU 的时间较多, 控制软件较复杂;
③专用PWM集成电路采用芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片,该方法功能强,但增加了调速系统的成本开销;
④单片机的PWM口新一代的许多单片机具有PWM功能。通过单片机的初始化设置,使其自动发生PWM脉冲波,只有在改变脉冲宽度时,CPU才进行干预,该方法控制直流电动机转速简单、可靠。
可利用单片机的PWM口产生控制信号的方法控制电压。
AVR单片机输出PWM的程序
void main() //PD4输出高电平持续2MS，PD5输出占空比为50%，因为其COMnx1：0=1。
{ DDRD|=0X30;
TCCR1A=0X63;
TCCR1B=0X1B;
OCR1A=12499;//产生10MS的PWM信号，保存上限值，但不能输出PWM信号
OCR1B=2500; //占空比为20%，既PD4输出高电平持续2MS。
}
转向与速度检测
测速原理
由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。
M法、T法、M/T法工作原理以下：
⑴ M法测速工作原理：
①由计数器记录PLG发出的脉冲信号；
②定时器每隔时间Tc向CPU发出中断请求INTt；
③CPU响应中断后，读出计数值 M1，并将计数器清零重新计数；
④根据计数值 M 计算出对应的转速值 n。
⑵ T法测速工作原理：
①计数器记录来自CPU的高频脉冲 f0；
②PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求；
③CPU 响应 INTn中断，从计数器中读出计数值 M2，并立即清零，重新计数。
⑶T法测速工作原理：
①T0定时器控制采样时间；
②M1计数器记录PLG脉冲；
③M2计数器记录时钟脉冲。
脉冲数字（P/D）转换方法
（1）M法—脉冲直接计数方法；
（2）T 法—脉冲时间计数方法；
（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。
M/T法测速软件设计
由于转速检测的精度和快速性对电机调速系统的静、动态性能影响极大。为了在较宽的速度范围内获得高精度和快速的数字测速，本设计使用每转4096线的光电编码器作为转速传感器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用M/T法测速处理。
M/T法测速原理是在对光电编码器输出的测速脉冲数m1进行计数的同时，对时钟脉冲的个数m2也进行计数。
图4-3 M/T法测速原理图
测速时间Td由测速脉冲来同步，即由硬件电路实现Td等于整m1个脉冲周期。设从图5.2点开始，计数器分别对ml和m2计数，到达b点，预计的测速时间Tc到，微机发出停止计数指令，但因为Tc不一定恰好等于整数个编码起输出脉冲周期，所以计数器仍对时钟脉冲计数，自到c点时，可以利用下一个转速脉冲上升沿(即c点)触发数字测速硬件电路使时间计数器停止计数。这样，m2就代表了m1个测速脉冲周期的时间。设时钟脉冲频率为f0，光电编码器每转发出P个脉冲，则电动机转速的计算公式为：
r/min （4-2）
在本系统中，由于选用f0=2MHz, P=4096= ，所以转速计算公式有：
r/min （4-3）
为了在低速测量时能使测速器在相当短的Td时间内任能包含较多个测速脉冲的高精度测速值，除了尽可能选择较大P值的光电编码器外，还可以利用光电编码器输出的相位上互差90的两路矩形脉冲信号经过4信频电路后再送入计数器。这样，转速n的计算式应改为：
r/min （4-4）
由此可以得到转速的值。
M/T 法数字测速软件图
测速软件由捕捉中断服务子程序如图5.3和测速时间中断服务子程序如图5.4构成，转速调节中断服务程序中进行到“测速允许”时，开放捕捉中断，但只有旋转编码器脉冲前沿到达时，进入捕捉中断服务程序，旋转编码器脉冲计数器M1和高频时钟计数器M2才真正开始计数，同时打开测速时间计数器Tc，禁止捕捉中断，使不再干扰计数器计数。待测速时间计数器到达计数值，发出停止测速信号，再次开放捕捉中断，到旋转编码器脉冲前沿再到达时停止计数。
在这一组软件框图中，测速软件仅完成M1和M2计数，转速计算是在转速调节中断服务子程序中完成的。
图5.5为故障保护中断服务子程序框图。
图4-4 主程序框图 图4-5 初始化主程序框图
图4-6 图4-7 图4-8
转速调节中断 电流调节中断 故障保护中断
服务子程序框图 服务子程序框图 服务子程序框图
转向的判断
编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到触发器的时钟端和D输入端，D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。由于A、B两相的脉冲相位相差90度，当电机正转时（假设A相脉冲超前时为正转，反之为反转），A相脉冲超前B相脉冲90度，触发器总是在B脉冲为高电平触发，这时D触发器的输出端Q输出高电平。如图4所示。当电机反转时，B相脉冲超前A相脉冲90度，则D触发器总是在B脉冲为低电平时触发，这时Q输出端输出为低电平。由此确定电机的转动方向。
电流检测原理
AD转换程序
uint mega16_ad()//avrPA0作为adc输入，十位ADC
{
uint addata;
DDRA&=~BIT(PA0);
PORTA&=~BIT(PA0);//设置PA0口为不带上拉电阻输入
ADMUX=0;//选择0通道
ADCSR=0X80;//ADC使能，二分频
ADCSR|=BIT(ADSC);//ADSC=6即ADC开始转换
while(!(ADCSR&(BIT(ADIF))));//查询ADC是否转换完毕
addata=ADCL;//读出ADC寄存器中低8位
addata=addata+ADCH*256;//读出ADC寄存器中高八位并与低位合并
return addata;//最终ADC转换数值
}
调节器的设计
图4-9 转速、电流双闭环调速系统的动态结构框图
系统设计的一般原则“先内环后外环”从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计
电流调节器的设计
设计分为以下几个步骤：
1、电流环结构图的简化
忽略反电动势的动态影响。在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即ΔE≈0。这时，电流环如下图所示。
图4-10 忽略反电动势的动态影响结构框图
等效成单位负反馈系统。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。
图4-11 电流环等效成单位负反馈
小惯性环节近似处理。最后，由于Ts 和T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为：
（4-5）
简化的近视条件为
（4-6）
电流环结构图最终简化图
图4-12 电流环结构图最终简化图
2、电流调节器结构的选择
从稳态要求上看，希望电流无静差，由图4.7可以看出，以得到理想的堵转特性，采用I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。图4.7表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成
（4-7）
式中Ki—电流调节器的比例系数；
τi —电流调节器的超前时间常数。
3、电流调节器的参数计算
在一般情况下，希望电流超调量i ≤ 5%，可选ξ=0.707，KI TΣi =0.5，则
（4-8）
再利用式和式得到
（4-9）
电流环闭环传递函数：
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-24a可知
（4-10）
忽略高次项，上式可将阶近似为
（4-11）
近似条件可由式求出
（4-12）
式中ωcn—转速环开环频率特性的截止频率。
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U *i(s)，因此电流环在转速环中应等效为
（4-13）
这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。
转速调节器的设计
用电流环的等效环节代替图2-22 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-26a所示。
图4-13 转速环的动态结构框图及简化
和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/α，再把时间常数为1 / KI 和Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中
（4-14）
转速环结构简化
图4-14 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理
转速调节器的选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR 中（见图4.9），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为
（4-15）
式中 Kn — 转速调节器的比例系数；
τ n — 转速调节器的超前时间常数。
开环传递函数为：
（4-16）
令转速环开环增益为
（4-17）
则 （4-18）
校正后的系统结构
图4-15 校正后成为典型II型系统
转速调节器的参数包括Kn 和τn。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，可得
（4-19）
再由式（2-39） （4-20）
因此 （4-21）
至于中频宽h 应选择多少，要看动态性能的要求决定。
无特殊要求时，一般可选择
h=5
PID程序流程图：
图4-16 PID流程图
定义PID结构体
typedef struct {
double SetPoint; // 设定目标 Desired Value
double Proportion; // 比例常数 Proportional Const
double Integral; // 积分常数 Integral Const
double Derivative; // 微分常数 Derivative Const
double LastError; // Error[-1]
double PrevError; // Error[-2]
double SumError; // Sums of Errors
}PID;
PID sPID; // PID Control Structure定义一下结构体变量
系统调试结果
经过调试，电路基本完成了系统的设计要求，经过测试，电机在全速运行时的转速为每分钟8000转，由于为了更好控制转速，所以控制速度设定为4000~8000转范围。在不断的测试和调试下，系统误差基本达到与设定值的5%误差。
总结
本文已用AVR单片机实现了直流电机双闭环调速，简化了控制逻辑系统，与其它系统相比，开发时间短，实用性强，功能完整。以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。如直流电机速度PID/模糊PID控制已得到验证，对于要求精度高、调速范围大的系统，往往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。由于M/T法的计数值M1和M2都随着转速的变化而变化，高速时，相当于M法测速，最低速时，M1=1，自动进入T法测速。因此M/T法测速能适用的转速范围明显大于前两种。是目前广泛应用的一种测速方法。
模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。。
使用PID闭环反馈控制可显著提高系统性能。由于采用数字给定、数字控制和数字检测，可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，更好地对直流电机调速控制。
致 谢
在本论文完成之际，衷心感谢指导老师刘丽芳的悉心指导，以及提供良好的学习研究环境；在一个多学期的学习中，给予我理论方面的支持和技术上的帮助；对本人学习作风产生极大的影响，养成实事求是、一丝不苟、自强不息的习惯。同时刘丽芳老师渊博的知识和勇于创新的科学精神将使我受益匪浅。感谢李广同师兄所做的前期电路，最后还要感谢各位领导、老师、同学们的热情相助。
参考文献
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[2] 高国琴.微型计算机控制技术.机械工业出版社，2006.
[3] 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例.中国电力出版社，2007.
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[5] 谭浩强.C程序设计（第三版）.清华大学出版社，2005.
[6] 林敏.计算机控制技术及工程应用.国防工业出版社，2007.
[7] 郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社，2009.
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