基于ATmega8的PWM双闭环直流调速设计论文.docx

基于ATmega8的PWM双闭环直流调速设计论文.docx

《基于ATmega8的PWM双闭环直流调速设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ATmega8的PWM双闭环直流调速设计论文.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于ATmega8的PWM双闭环直流调速设计论文

摘  要

本论文主要是对双闭环PWM直流调速系统的研究，实现对电动机的数字化控制。

在设计中，对PWM直流调速的原理、双闭环直流调速原理和特点进行了全面阐述。

为实现系统的微机数字化控制，采用了ATmega8作为整个控制系统的核心部分，配以显示、驱动、测量等模块，实现对电动机转速参数的显示和测量。

硬件组成包括ATmega8单片微机、电流检测模块、转速检测模块、保护模块、键盘模块、显示模块、直流电机驱动模块等组成。

在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，为了提高控制系统的性能和可靠性，设计中，对电流环和转速环采用PID调节器。

在软件实现中，本系统采用增量式PID控制算法来改变PWM的占空比，在硬件结构上采用了集成电路模块，简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。

实现了直流电动机的实时数字PWM控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。

关键词：

ATmega8单片机；直流电机；PWM调速;双闭环;PID

Abstract

ThispaperismainlytothedoubleloopDCspeedcontrolsystemofstudyPWM,toachievethedigitalcontrolofDCmotor.Inthedesign,theprincipleofthePWMDCMotorSpeedControl,theprincipleandcharacteristicsofDoubleClosedLoopDCSpeedControlareanalyzedcomprehensivelyexpounded.Fortherealizationofdigitalcontrolcomputersystem,usingtheATmega8,asthecoreofthewholecontrolsystem,togetherwiththedisplay,drive,measurementmodules,toachievethemotorspeedparameterdisplayandmeasurement.HardwareincludestheATmega8singlechipmicroprocessor,thecurrentdetectionmodule,speeddetectionmodule,protectmodule,keyboardmodule,thedisplaymodule,thedrivermoduleofDCmotorandothercomponents.Inthedesign,usingPWMcontrolmode,throughchangingthePWMdutycycletochangethemotorarmatureimprovethecontrolperformanceandreliabilityofthesystem,thedesignofcurrentloopandrotationalspeed,usingPIDregulator.Inthissystem,thesoftwarerealizationofincrementalPIDcontrolalgorithmisadoptedtorealizePIDparametersofthesystemandthesoftwareprogrammingrealizespeedcurrentdigitalPIDadjusteroperationsandgeneratedigitalPWMwaves.Inthesoftwareimplementation,thesystemusestheincrementalPIDcontrolalgorithmtochangethePWMdutycycle.Inthehardwarestructureofintegratedcircuitsusingmodules,greatlysimplifiedthehardwarecircuit,improvethestabilityandreliabilityofthesystem,thesystem'sperformanceimproved.Itrealizesthereal-timedigitalPWMmotorcontrol,withconvenientcontrol,simpleandflexibleconfigurationadvantages.

Keywords:

ATmega8microcontroller;DCmotor:

PWMSpeedRegulator;Doubleclosedloop;PID

1绪论

1.1课题的背景和意义

世界上最早电机原型就是永磁电机，当时永磁材料性能不良，而被电磁式电机占了主流。

后来又发展到交流电动机，但交流电动机的调速要增加变频装置，比较复杂，20世纪60年代和80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）相继问世，它们的高剩磁密度、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，我国的稀土矿的储藏量居世界首位，目前正大力研究和推广应用以稀土永磁直流电机为代表的各种永磁直流电机，而使永磁直流电机的发展进入一个新的时期。

直流电动机采用永磁励磁后，既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。

因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。

500W以下的微型直流电动机中，永磁直流电机占92%，而10W以下的永磁直流电机占99%以上。

永磁直流电动机向经济型和高性能型两个方向发展，应用面从玩具电机、音像电机、汽车微电机、电动轮椅到工业用小功率驱动和伺服驱动，如数控机床用电机、电动工具等。

本课题研究的系统适用于100W以下的永磁直流电机，可用于家用电器、便携式电子设备、电动工具和一些工业控制中的电机。

对这类电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。

采用微机控制后，整个调速系统可以实现全数字化，结构简单，可靠性提高，操作维护方便，电机稳态运行时的稳速精度可以达到较高水平。

在电力电子技术高速发展的时代，单片机在复杂控制领域扮演极为重要的角色，单片机性能可靠，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定。

PWM调速系统以其调速范围宽、精度高、响应速度快等优点成为当前主要控制方式。

所以，本课题采用单片机控制的PWM直流电机调速，在实际应用中，它较好的实现了对直流电机的速度控制，具有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点。

AVR单片机具有较高的性价比和稳定性，将它应用于直流电机的PWM调速，具有良好的性能和很高的实际应用价值。

本课题采用ATmega8单片机作为主控制器，ATmega8单片机内部有PWM和AD转换通，就可以不用在外围再设置A/D转换器，硬件结构和控制大大简化，可以实现较复杂的控制，单片机有更强的逻辑功能，运算速度和精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制,；本课题采用软件代替传统的模拟电路实现电流环和转速环的PID调节，不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题，无论被控量的大小，都可以保证足够的控制精度；与模拟直流调速系统相比，控制算法易于改进、程序易于移植、控制精度高、调速范围宽、静差率小、功率因数高等优点。

单片机的控制方式是由软件完成的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便；本系统还可以增加了通信模块，可提供人机界面，多机联网工作等，实现实时监控和调制,实现了全数字化控制，系统结构简单，性能良好。

永磁直流电机控制是AVR单片机应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制的要求日益提高，AVR单片机将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。

1.2课题研究的主要内容

本课题主要研究PWM直流调速的原理，以稀土永磁直流电机为研究对象，通过ATmega8单片机控制PWM来调速，主要介绍了该系统的硬件以及软件具体设计，硬件主要有控制器，电机驱动，转速和电流检测，键盘和转速显示等，用键盘输入给定转速和有关控制信号及参数，可以实现电机的启制动、正反转、速度和电流调节,并用LED数码管实时显示动态转速，由软件编程实现转速电流数字PID调节器的运算并产生数字PWM波，改变PWM的占空比来调节电机的转速，以及对数字算法滤波的研究。

从而构成了一个比较完整有效的双闭环直流电动机调速控制系统。

2直流电机PWM调速原理和总体方案确定

2.1直流电机PWM调速原理

改变电压的方法很多，最常见的一定是PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

直流电机转速表达式为：

式中：

U—电枢端电压；I—电枢电流；R—电枢电路总阻；

—每极磁通量；K—电机结构参数。

对直流电机的转速控制方法可分为对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制方法。

目前绝大多数直流电机采用开关驱动方式，它是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电机电枢电压，实现调速。

PWM（PulseWidthModulation）—脉冲宽度调制技术通过对一系列数字脉冲的宽度进行调制,在脉冲作用下,当电机通电时速度加快,断电时速度逐渐变慢,只要按一定规律改变通断电的时间,即可对电机的转速控制，实现直流电机调速数字化

.

对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的，其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制PWM,通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压.

改变占空比的方法有3种

：

（1）定宽调频法，这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样也使周期T（或频率）也随之改变；

（2）调宽调频法，保持t2不变，而改变t1，这样也使周期T（或频率）改变；（3）定频调宽法，这种方法是使周期T（或频率）不变，而同时改变t1和t2。

由于前两种方法都改变了周期（或频率），当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法，只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。

电机PWM控制示意图如图2-1

图2-1PWM控制示意图

电动机两端得到的电压波形如图2-2所示的电压平均值

可用下式表示为

=ton/T×Us=

式中ton开关每次接通的时间

T开关通断的时间周期

α占空比α=ton/T0

PWM控制波形图2-2

图2-2PWM控制波形图

2.2PWM脉冲产生方式

PWM脉冲波的产生方法有四种

：

1）分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。

它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。

2）软件模拟法

利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。

这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它的工作，因此也逐渐被淘汰。

3）专用PWM集成电路

从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片。

现在市场上已经有很多种型号，如TI公司的TL494芯片。

东芝公司的2SK3131芯片等。

这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等，这种专用PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。

4）单片机的PWM口

新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。

如AD公司的12位单片机ADμC831，Inter公司的16位单片机8XC196以及Cygnal公司的8位单片机C8051FOXX系列等。

在新一代的单片机中，通过初始化设置，使其PWM输出口能够自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时，CPU才进行干预。

本系统采用ATmega8的内部定时/计数器产生PWM波，ATmega8单片机有3个PWM输出通道，本系统采用定时器/计数器1的相位频率可调PWM模式，OC1A/OC1B输出的PWM波形的频率输出由下式确定，式中N的取值为1、8、64、256或1024。

通过设置OCR1A/OCR1B的值，可以获得不同占空比的脉冲波形，本系统PID输出的控制电压

对应OCR1A/OCR1B的值，来实现数字调速。

2.3双闭环直流调速系统的介绍

直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。

2.3.1双闭环直流调速系统的工作原理

在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。

ASR与ACR之间实现串级联接，即以ASR的输出电压

作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压

作为晶闸管触发电路的移相控制电压。

从双闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环

。

其系统原理图如图1所示。

图2-3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---测速发电机

TA---电流互感器UPE---电力电子变换器Un*---转速给定电压

Un---转速反馈电压

*---电流给定电压

---电流反馈电压

先说明双闭环调速系统启动过程的速度和电流的变化。

在启动瞬间，速度和电流为0，合电后，速度调节器和电流调节器的比例项立即作用，输出电流很快上升，电动机开始启动，但速度变化比较缓慢。

速度调节器的输入为速度设定值和速度实际值的差，经过调节器积分项的作用，速度调节器的输出很快进入饱和，其饱和值由速度调节器的输出限幅值确定。

由于速度调节器的输出为电流设定值，因而速度调节器的输出限幅决定了启动过程中的电流最大值。

当电流上升到最大值后，由于速度调节器的输出受限幅环节的影响，电流设定值不再变化，相当于电流单闭环控制，电动机以恒定电流加速，速度增加，直到电动机速度达到设定转速，速度调节器的输入将变负，速度调节器开始退饱和，它的输出变小，即电流设定值变小。

但是，只要电动机电枢电流比负载等值电流大，电动机仍将继续加速，直至电动机的电枢电流和负载等值电流相等，加速才停止。

之后电动机的电流和速度再经历一段调节过程，系统稳定在速度设稳定值运行，电流则和负载电流平衡，启动过程结束

。

稳定状态下电流转速环的调节过程如下：

1以电流调节器ACR为核心的电流环

电流环是电流调节器ACR和电流反馈环节组成的闭合回路，由于ACR是PI调节器，稳态时其输入偏差电压

，即

。

其中为电流反馈系数。

当

一定时，由于电流反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在

数值上。

当

时，自动调节过程为

最终保持电流稳定。

当电流下降时，也有类似的调节过程。

2以转速调节器ASR为核心的转速环

转速环是由转速调节器ASR和转速反馈环节组成的闭合回路，由于ASR是PI调节器，所及在系统达到稳态时应满足

，即

当

一定时，转速n将稳定在

数值上。

当

时，其自动调节过程为

负载

最终保持转速稳定。

当转速上升时，也有类似的调节过程。

2.3.2双闭环调速系统的作用

双闭环调速系统中转速调节器的作用为：

（1）实现转速调节无静差，使转速n跟随给定电压变化；

（2）对负载变化起抗扰作用；（3）能对电流环进行饱和非线性控制，且其输出限幅值决定允许的最大电流。

电流调节器的作用为：

（1）对电网电压波动起及时抗扰作用；

（2）起动时保证获得允许的最大电流，实现最佳起动过程；（3）在转速调节过程中，能使电流跟随其给定电压变化；（4）静态时依靠ACR的恒流调节作用可获待理想的下垂特性；（5）当电动机过载甚至堵转时，可限制最大电枢电流，起到快速的安全保护作用，一旦故障消失，系统能自动恢复正常。

由于电流控制器和转速控制器都采用PID控制方法，并且采用工程整定的方法确定出两个控制器各自的一组最佳控制参数．所以，转速的自动控制效果非常好．总之，对直流电动机的转速采用速度和电流的双闭环PID控制后，连续调速的范围扩大了，电动机起动和制动的速度大大地加快，调节时间显著地缩短，转速的最大超调量大幅度地减小，控制精度非常高．转速和电流的双闭环PID控制系统，很适用于起动和制动频繁、转速控制精度要求很高的机

。

2.3.3数字双闭环直流调速系统

传统的双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态性能。

但传统的双闭环直流调速系统属于模拟系统,其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上,因而线路复杂、通用性差,控制效果受到模拟器件本身性能和一些外部环境因素的限制

。

所以本系统研究数字双闭环直流调调速系统，用单片机产生PWM波，用软件方法实现电流转速双闭环调节器，用软件方法实现PID调节改变PWM的占空比。

本系统采用的ATmega8控制的双闭环直流调速的系统框图如图2-4

图2-4单片机控制的双闭环直流调速系统结构图

3系统总体方案分析与设计

3.1系统总体方案的分析

电机调速一般分为三个级，控制级，驱动级和反馈级。

单片机属于前端的控制级，只需要能够产生可调的PWM波形就可以（很多单片机都有专用PWM输出功能，有定时器就能做到）。

驱动级，在控制级后。

因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电，所以需要用功率开关器件（如MOSFET等）来驱动电机。

基本思路就是通过弱电控制强电。

 通常，驱动级和控制级还需要电气隔离（光藕器件）保证安全。

反馈级是为了实现精确调速的。

一般是电流反馈，也有用转速反馈的，本系统采用电流转速双闭环反馈控制的。

PWM输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综合运算得到（是负反馈控制），PWM的输出可通过ATmega8单片机内部的PWM通道输出。

给定转速之后，电机启动，首先启动时电流环起作用，电枢电流迅速增大，直至饱和。

等到达到一定的时间限制或者当转速达到定值（该定值由内部计算给出）之后然后电流环退出，由转速环控制电机转速平滑达到给定值，系统进入稳定运行状态。

直到电机得到新的给定值，转速环再一次起作用将转速稳定在新的给定值

。

两个控制器的控制参数（比例度、积分时间和微分时间）的一组最佳值的确定，采用工程整定的方法来实现．在控制参数的工程整定过程中，先整定电流环（内环），确定出电流控制器的一组最佳控制参数．然后，将内环作为转速环（外环）的一个环节，再对外环进行工程整定，确定出转速控制器的一组最佳控制参数．还可以通过与PC机通信实时监测直流电机的状态，改变控制参数。

3.2系统总体方案的设计

根据系统设计的任务和要求，设计系统框图如图3-1，图中控制器ATmega8单片机为系统的核心部件，在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速。

电流和速度检测模块将反馈送到控制器中，控制器经过PID算法改变PWM的占空比。

键盘模块给定转速，显示模块可以显示直流电机的所测转速。

图3-1设计系统总框图

系统的工作原理：

在键盘设定转速后，在新的采样周期到来时，光电编码器测得电机的速度，并通过编码器接口电路反馈到ATmega8单片机中，电流检测环测出电机中的电流，进入ATmega8中AD转换通道。

单片机通过比较预定义的运动速度与实际的电机速度（反馈速度）得到偏差，然后经过转速环PID控制算法输出，此输出量又与电流反馈比较得到偏差，经过电流环PID调节输出控制量，单片机根据得到的控制量，改变输出PWM信号的脉宽。

PWM信号通过光耦隔离，经L298进行功率放大输出控制直流电机，然后进入下一个采样周期。

4系统硬件电路设计

4.1ATmega8单片机最小系统

单片机最小系统一般包括：

单片机核心芯片、电源、复位电路、下载电路等几部分等。

下面依次介绍这几个模块。

4.1.1ATmega8的简介及特点

ATmega系列单片机承袭了AVR系列中AT90所具有的特点，并增加了更多的接口功能，而且在省电性、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善。

ATmega8属于ATmega系列单片机（ATmega16/ATmega32/ATmega64/ATmega128）的一个子集，其内部集成了较大容量的存储器和丰富的硬件接口电路，并且在软件上能有效支持;高级语言及汇编语言

。

ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC（精简指令集）结构的8位单片机。

AVR单片机的核心是将32个通用工作寄存器和丰富的指令集连接在一起，所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构可提高代码效率，使得大部分指令的执行时间公为一个时钟周期，故可达到将近1MIPS/MHz的性能，运行速度比普通单片机高出10倍。

ATmega8的主要性能如下：

（1）高性能、低功耗的8位AVR微控制器。

采用先进的精简RISC指令集结构；有130条功能强大的指令+大多数为单周期指令；内含32个8位通用工作寄存器；工作在16MHz时指令处理速度为16MIPS.

（2）片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器。

8K字节的Flash程序存储器的可擦写次数大于10000次；512个字节

的擦写次数至少可达100000次；支持在线编程（ISP）和在应用编程（IAP）；带有可编程的程序加密位。

（3）包括一个512字节的EEPROM，EEPROM集成在单片机内部为整定各种固定的定值有非常大的好处，比如调速系统中非常重要的PID参数，死区参数等等，这样为外围电路又节省了一片EEPROM，节省了成本。

（4）Atmega8整合了大量的外围功能，所以极大的减少了整个系统的芯片数量，由于其口驱动能力比较强而且自带上拉电阻，所以可以不加上拉电阻驱动共阴极码管，一个口基本上可以驱动6--8个共阴极的数码管，足见其驱动能力是相当高的上拉电阻的另一个好处是可以防止干扰，当使能Atmega8口的上拉电阻的最大好是可以避免干扰，而且