基于ATmega8的PWM双闭环直流调速设计论文

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1、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

2、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; PIDAbstractThis paper is mainly to the double loop DC speed control system of study PWM, to achieve the digital control of DC motor. In the design, the principle of

3、the PWM DC Motor Speed Control, the principle and characteristics of Double Closed Loop DC Speed Control are analyzed comprehensively expounded. For the realization of digital control computer system, using the ATmega8, as the core of the whole control system, together with the display, drive, measu

4、rement modules, to achieve the motor speed parameter display and measurement. Hardware includes the ATmega8 single chip microprocessor, the current detection module, speed detection module, protect module, keyboard module, the display module, the driver module of DC motor and other components. In th

5、e design, using PWM control mode, through changing the PWM duty cycle to change the motor armature improve the control performance and reliability of the system, the design of current loop and rotational speed, using PID regulator. In this system, the software realization of incremental PID control

6、algorithm is adopted to realize PID parameters of the system and the software programming realize speed current digital PID adjuster operations and generate digital PWM waves. In the software implementation, the system uses the incremental PID control algorithm to change the PWM duty cycle. In the h

7、ardware structure of integrated circuits using modules, greatly simplified the hardware circuit, improve the stability and reliability of the system, the systems performance improved. It realizes the real-time digital PWM motor control, with convenient control, simple and flexible configuration adva

8、ntages.Key words: ATmega8 microcontroller; DC motor: PWM Speed Regulator; Double closed loop; PID目 录1 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 课题研究的主要内容22 直流电机PWM调速原理和总体方案确定22.1直流电机PWM调速原理22.2 PWM脉冲产生方式42.3 双闭环直流调速系统的介绍52.3.1 双闭环直流调速系统的工作原理52.3.2 双闭环调速系统的作用72.3.3 数字双闭环直流调速系统73 系统总体方案分析与设计83.1系统总体方案的分析83.2 系统总体方案的设计84 系统

9、硬件电路设计94.1 ATmega8单片机最小系统94.1.1 ATmega8的简介及特点94.1.2 ATmega8单片机的最小系统的其他电路设计114.2 电源模块电路设计124.3 直流电机驱动模块设计134.3.1 H桥驱动电路原理134.3.2 直流电机驱动电路设计134.4 隔离模块电路设计164.5 键盘电路设计174.6 速度和电流检测模块电路设计194.6.1 速度检测电路设计194.6.2 电流检测电路设计214.7 转速显示电路模块设计214.8 串行通信模块电路设计225电机控制策略的研究235.1 PID算法235.2 数字滤波算法276 系统软件设计286.1 主程

10、序设计286.2 初始化程序设计296.3 中断服务子程序设计297 总结与展望33参考文献34附 录35英文资料45中文译文51致 谢541 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

11、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。500 W以下的微型直流电动机中，永磁直流电机占92%，而10 W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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、；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(Pulse Width Modulation)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

17、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2-1 PWM

18、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/TUs=式中 ton开关每次接通的时间T开关通断的时间周期 占空比 =ton/T0PWM控制波形图2-2图2-2 PWM控制波形图2.2 PWM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P W M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

19、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ADC831，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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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4.1 ATmega8单片

32、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。4.1.1 ATmega8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AVR RISC（精简

33、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

34、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

35、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，而且为PCB节省了很多空间，因为省去了大量的上拉电阻。(5)带有2个带预分频的8位定时/计数器、1个带预分频的16位定时/计数器；3个PWM通道，可实现任意16位以内相位和频率可调的PWM脉宽调制输出；一个串行接口、一个可编程的USART接口、一个支持主/从、收/发的SPI同步串行接口。(6)一个10位的AD转换，一个快速的模拟比较器和一个片上校准的8MHz的RC内部振荡器，这样的设计使得在对AD精度要求不高的应用下，非常方便的将芯片应用于中低端的控制领域，独有的自编程功能使得升级

36、程序也非常的方便，如果选择超过8K的版本，甚至可以在上面跑一个简单的嵌入式操作系统。(7)该CPU内部具有片内RC振荡器的可编程看门狗定时器；看门狗，可以在任何程序跑飞的情况下将CPU复位，从而保证系统长时间无故障的运行。(8)具有特殊的微控制器性能。内含可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路；芯片内部和外部共有18+2个中断源；5种休眠模式（空闲、ADC噪声抑制、省电、掉电、待命）。ATmega8的内部结构图如图4-1所示图4-1 ATmega8 内部结构图4.1.2 ATmega8单片机的最小系统的其他电路设计时钟电路：时钟电路一般由晶振和电容组成。单片机必须在周期性的时钟信号的

37、作用下工作，如果没有时钟信号的限制，那单片机的工作就乱套了。对于ATmega8单片机来说，它内部有经过校正的内部RC振荡器，所以在对时钟精度要求不高的场合，我们可以省去时钟电路。复位电路：MCU的复位模式一般可分为高电平复位和低电平复位两种模式。ATmega8单片机是低电平复位，也就是说当AVR单片机的复位引脚有一个持续50ns的低电平的时候，AVR单片机就会复位。单片机的复位引脚平时被连接到电源正极的电阻嵌位在高电平，当按钮按下后，复位引脚被连到电源负极，当按钮松开后，复位引脚重新变为高点平，在按钮按下和松开这个过程一般至少持续100ms，这个时间足够产生令单片机的复位脉冲了。与传统的51单

38、片机相比，ATmega8单片机内置复位电路，并且在熔丝位里，可以控制复位时间，所以，ATmega8可以不设外部上电复位电路，依然可以正常复位，稳定工作。ATmega8单片机复位电路和晶振电路的设计图如图4-2所示 图4-2 ATmega8单片机的复位和时钟电路JTAG接口使用单片机的4个专用引脚，它们是：TCK，TMS，TDI，TDO。硬件电路如图4-3所示。图 4-3 JTAG接口电路4.2 电源模块电路设计电源是任何系统能否运行的能量来源，无论哪种电力系统电源模块都是不可或缺的，对于该模块考虑以两种方案。方案一：通过电阻分压的形式将整流后的电压分别降为控制芯片和电机运行所需的电压，此种方案

39、原理和硬件电路连接都比较简单，但对能量的损耗大。方案二：通过固定芯片对整流后的电压进行降压，稳压处理，此种方案可靠，安全性高，对能源的利用率高，并且电路简单容易实现。本系统采用电机的供电选择方案一，因为直流电机的双闭环调速可以抗电网电压，在本系统中的直流电机需要40V电源，而单片机，显示模块和其它芯片和电路需要5V的电源，需要有稳定的电压，因此电路中选用7805稳压芯片。稳压电路如图4-4所示图4-4 电源电路硬件图4.3 直流电机驱动模块设计4.3.1 H桥驱动电路原理图4-5中所示为一个典型的直流电机控制电路。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管，4个二极管和一个电机。要使电机运转，

40、必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4-5 H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿逆时针方向转动。4.3.2 直流电机驱动电路设计1直流电机驱动方案一般有两种：方案一：对大功率的电动机常采用I

41、GBT作为主开关元件；对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件，这种方法结构简单，成本低、易实现，但由于在驱动电路中采用了大量的晶体管相互连接，使得电路复杂、可靠性下降。方案二：采用专用的电机驱动芯片，比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。由于它们内部已经考虑到了电路的抗干扰能力，安全可靠，在使用时只考虑芯片的硬件连接、驱动能力问题就可以了。此种方案的电路设计简单，将重点放在算法实现和软件的设计中，提高了工作效率。基于以上分析，本系统选择L298来驱动电机。2 L298的介绍和和使用L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，直接采用，TTL逻辑电平控制，

42、可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。它的驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A。其内部具有2个完全相同的PWM功率放大回路，该芯片的主要特点如下：1 工作电压达到46V；2 最大输出直流电流可以达到4A；3 低饱和电压；4 过温保护；5 搞噪声能力强Vss逻辑电源：4.5-7V，本系统可取5V。L298的引脚功能如表4-1表4-1 L298的引脚功能表引脚名称功能1 15Sense A; Sense B电流取样输出引脚2 3Out1; Out2桥A的输出4Vs电源5 7Input1; Input2桥A的与TTL兼容的输入6 11Enable A; Enable A桥A

43、和桥B的与TTL兼容的输入8GND地9VSS电源10 12Input3; Input4桥B的与TTL兼容的输入13 14 Out3; Out4桥B的输出L298N控制双向直流电机的逻辑表如表4-2表4-2 L298N控制双向直流电机的逻辑表ENA（B）IN1（ IN3）IN2（ IN4）直流电机运行情况 HHL正转HLH反转H同IN2（ IN4）同IN1（ IN3）快速停止LXX停止在实际使用中为了获得更大的输出电流，可以将IN1 与IN3， IN2 与IN4，Out1与Out2 ，Out1与Out2分别接在一起，L298N的4个输入要采用光耦隔离。AVR单片机ATmega8输出的PWM信号需

44、要经过功率放大才能控制直流电机，本系统采用L298作为驱动芯片。当Vs=40V时，最高输出电压可达35V，连续电流可达4A。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。由L298构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆方式，单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压。通过PWM信号输入端IN3和IN4可以控制电动机的正反转(输入端IN1为PWM信号，输入端IN2为低电平，电动机正转；输入端IN2为PWM信

45、号，输入端IN1为低电平，电动机反转)；当它为低电平时，驱动桥路上的4个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。L298硬件连接图如图 4-6图 4-6 L298硬件连接图3 L98保护电路设计比较器LM393主要起到了限制过流和保护L298的作用。LM393 是一块比较器电路，其有两个独立，精确的电压比较器组成，两比较器是专门设计在电压范围较宽的单电源下工作，但在双电源下也能工作，并且其电源大小不受电源电压幅度大小影响。LM393的引脚说明如表4-3表4-3LM393的引脚说明引脚符号功能引脚符号功能1OUT1比较器1

46、输出5IN2+比较器2；正相输入2IN1-比较器1；反相输入6IN2-比较器2；反相输入3IN1+比较器1；正相输入7OUT2比较器2输出4GND地8VCC电源LM393的同相端直接连到了一个可变电位计上，电位计的参考电压是可调的。调节电位计的参考电压能调节L298的限流电压。LM393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB两检测端。当检测电阻两端的电压大于限流电压时，比较器的反相端的电压大于同相端的电压，输出端输出低电平，从而把L298的ENA和ENA使能端拉低，L298停止工作。这就起到了限制过流和保护L298的作用。图4-7为LM393硬件连接图图4-7 LM339与单片机的硬

47、件连接图4.4 隔离模块电路设计本系统采用光耦隔离ISO7220: ISO7220是TI公司生产的光耦产品，该产品主要的应用的场合有：1 工业现场总线2 计算机外部设备接口3 伺服控制接口4 数据采集ISO7220的外部引脚图如图4-8图4-8 光耦隔离ISO7220引脚图ISO7220的引脚功能如表4-4表4-4 ISO7220的引脚功能表引脚名称功能1VCC1输入端供电电源2INA输入端A3INB输入端B4GND1输入端的地5GND2输出端的地6OUTB输出端B7OUTA输出端A8VCC2输出端供电电源注意实际使用时VCC1 VCC2具有两个不同地的电源，利用5V/5V的DC隔离模块可以获

48、得两个不同的5V电源。ISO7220的硬件电路图如图4-9所示图4-9 ISO7220与单片机硬件连接图4.5 键盘电路设计系统的给定有模拟给定和数字给定两种方式。模拟给定是以模拟量表示的给定值，例如给定电位器的输出电压。模拟给定须经A/D转换为数字量，再参与运算。如图4-10数字给定是用数字量表示的给定值，可以是拨盘设定，键盘设定或采用通信方式由上位机直接发送。如图4-11所示图 4-10 模拟给定图 图 4-11 数字给定图键盘是单片机系统中进行人机对话的基本接口，是单片机系统数据输入的重要方式。本系统速度的给定采用键盘给定速度，按键还可以参数的输入，电机起停的控制。键盘的设计有两种方案。

49、方案一：采用独立式键盘，这种键盘硬件连接和软件实现简单，各按键相互独立，每个按键各占用一位I/O的口线，它们之间状态是独立的，相互之间没有影响，只要单独测试口线电平的高低就能判断键的状态。在按键数量较多的情况下，采用独立式接口方式就会占用太多的I/O口，故此键盘只适用于按键少的场合。方案二：采用行列式键盘，这种键盘的特点是行线、列线分别接输入线、输出线。按键位于行、列的交叉点上。当键被按下时，其交点的行线和列线接通，相应的行线或列线上的电平发生变化，MCU通过检测行或列线上的电平变化可以确定哪个按键被按下。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，但只种键盘的软件编程复杂些。本系统对软件的运行速度要

50、求不高，按键较多，所以采用4 x4的矩阵键盘。可以构成16个键的键盘。各键的功能设置如下：0号键：启动键；1号键：确定键；211号键：设定速度键；其它的键是参数设置键。 键盘与单片机的硬件接口电路如图4-12图4-12 键盘电路与单片机硬件连接图4.6 速度和电流检测模块电路设计4.6.1 速度检测电路设计在直流调速系统中，速度一般都有三种反馈形式：(1)测速发电机反馈：(2)脉冲编码器反馈；(3)电枢电压反馈。电枢电压负反馈是在忽略电枢电阻压降的前提下近似反应转速信号的负反馈。但是在现场不具备条件的情况下或者是对于精度要求不高的情况下，还是经常采用电枢电压负反馈形式，因此在电路设计中电枢电压

51、负反馈还是必不可少的。测速发电机测量转速是长期以来一直使用的简便方法，直接将速度信号转换为对应的电压信号。脉冲编码器反馈不同于前两种负反馈，电枢电压负反馈和测速发电机负反馈信号是模拟信号，而脉冲编码器反馈的信号则是数字信号。因此，不占用控制芯片的AD转换资源，而且根据脉冲数量，可以计算出电机的位置，因此在位置控制系统中往往要求采用脉冲编码器速度反馈。本系统采用光电编码器测直流电机的转速，光电编码器联接在直流电机上，在新的采样周期到来时，光电编码器测得的电机速度反馈信号通过Encoder接口反馈到AVR单片机ATmega8。光电编码器有4个端口，两个电源端口两个脉冲输出端口(A，B)。光电编码器

52、输出信号形式如图4-13图4-13 光电编码器输出信号形式当光电编码器的轴转动时，A，B两根线都产生脉冲输出，它输出A、B两相相位相差的正交方波脉冲信号，A相或B相的每个脉冲代表被测对象旋转的角度增量，对A相和B相的脉冲信号定时计数就可以计算出电机的转速，对脉冲信号累加计数就可以计算出电机的转角。A相和B相的相位关系则反映了电机的旋转方向。当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位，当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后脉冲信号B的相位，因此根据超前与滞后的关系可以确定电机的转向。B线用于测量脉冲个数，B线与A线配合可以测量出转动方向。根据编码器的工作原理设计出编码器硬件接口电路如图4-1

53、4所示：图4-14光电编码器与单片机硬件连接图编码器的A和B两相信号经过上拉电阻，再经过CD40106施密特整形，分别接到AVR 单片机ATmega8的PC5和INT0 引脚上。单片机对INT0 的中断次数计数来测量通道B的脉冲数，读取PC5（即A相信号）的电平状态来判断电机的转动方向。以上升沿触发为例，当B路信号的上升沿引起中断时，单片机判断PC5信号的电平高低。若PC5为低电平，则电机为正转，计数器N值加1；若为高电平，则电机为反转，计数器N值减1。则电机的速度即为一个采样周期中N值的变化量。电机的转速电机的转速w为：w=c式中c变换系数，可根据转速的量纲来选择 一个采样周期中的计数值，它

54、的符号反映电机的转动方向采样周期，4.6.2 电流检测电路设计电流检测是电流控制的需要，也是电流保护的要求。电流检测方法有电阻检测，光耦检测，电流霍尔电流传感器等方法，电路检测方式包括：电流采样，电流互感器和霍尔传感器。在本系统的硬件电路设计中，采用电流霍尔电流传感器，霍尔传感器具有测量精度高，线性度好，响应快，隔离彻底的特点，近来在工业控制中得到广泛的应用，霍尔电流传感器输出的小电流信号经过电压采样电路转换为电压信号，将反馈送到ATmega8的ADC通道进行AD转换成数字量，与电流环的输出量进行比较，输出转速的控制量。ATmega8内部有10位AD转换，转换精度较高，AD转换的参考电压选择A

55、Tmega8内部的2.56V参考电压。本系统电流采样电路采用霍尔电流传感器MRCS检测流过电动机的电流，通过电流环调节使电动机在调速的过程中保持该电流不变，从而保持输出转矩不变。组成电流电流传感器的部分有导线、绝缘基片、InSb-In磁阻元件MR1/MR2和永久磁铁。半导磁阻式电流传感器（MRCS）的工作原理是将导线电流产生的微弱磁场转化成和它成正比的电压信号，可以通过流量电压信号来得到电流值。MCRS与单片机的连接如图4-15图4-15 MCRS与ATmega8的硬件连接图4.7 转速显示电路模块设计LED数码显示器是单片机系统中经常使用的显示器件，由于ATmega8只有23个I/O口，资源

56、很有限，采用74LS164扩展。74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器，可用于扩展并行输出口。本文采用了74LS164 这个串入并出的移位寄存器,很好地解决了ATmega8与L ED 的显示接口电路。ATmega8余下的并行I/ O 口线不足12个,数据的并行输出已不可能,但可以考虑串行输出方法。该电路只使用ATmega8的2个端口,配接4 片串入并出移位寄存器74LS164，本系统要用4个数码管，所以要用4个74LS164。74LS164为8位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下：当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。

57、当 A、B任意一个为 低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。71LS164功能真值表如表4-5表4-5 71LS164功能真值表InputOutputClearClockABQA QB QHLXXXL L LHLXX HHHH HLXL HXLL H高电平L低电平X任意电平低到高电平跳变QA0,QB0,QH0规定的稳态条件建立前的电平,时钟最近的前的电平74LS164与单片机的硬件连接电路图如图4-16图 4-16 显示电路的连接图4.8 串行通信模块电路设

58、计如果想方便对系统进行实时监测，对单片机采集的数据进行分析和处理，可以采用单片机和PC机之间的串行通信，采用标准的RS-232C接口的串行通信方式。MAX232资料简介:该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TT

59、L/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。MAX232主要特点:1、单5V电源工作2、CMOSTM工艺技术3、 两个驱动器及两个接收器4 30V输入电平5、低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.287、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000V本论文对通信不作深入研究，通信硬件电路图如图4-17图 4-17通信模块硬件连接图5电机控制策略的研究5.1 PID算法为了获得稳态转速，电机采用闭环控制，同时加入了PID调节。数字PID控制是相对于模拟PID控制而言的，它是连续控制系统中技术成熟、应

60、用广泛的一种控制方法。一方面，由于已形成典型结构，且参数整定方便，结构改变灵活，对于难得到精确数学模型的对象也具有较满意的适应性；另一方而，由于微型机具有计算快速、灵活多样的逻辑削断以及等效的信息处理的特点，所以在现PID控制时，可对P1D控制进行种改进，形成多种多样的数字PID控制器。PID调节结构简单、灵活性大，但其易受干扰和采样周期的影响。所以须对PID算法加以改进以进一步稳定转速。传统数字PID算法的公式为式中，分别为调节器的比例，积分和微分系数；e(k),e(k-1)分别为第K次和K一1次时的期望偏差值，u(k)为第K次时调节器的输出。简单地来说，PID控制各校正环节的作用如下：(1

61、)比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器就立即产生控制作用，以减小偏差。(2)积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修整信号，从而加快系统的动作速度，阻止偏差的变化，减小调节时间。改善系统的动态性能。但微分环节对干扰非常敏感，为了克服干扰的影响，采用了改进的不完全微分PID算法。不完全微分算法是在PID算法中加入一个一阶惯性环节，以克服完全微分的缺点。设计中采用将惯性环节直接

62、加在微分环节的方法。其传递函数表达式为：，式中TI，TD分别为积分常数与微分常数。在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。数字PID控制算法通常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。位置式PID控制算法连续表达式为：将上式离散化，即用差分方程可得在采样时刻f=KT得表达式： (5-5)式中：k一一采样序号，k-0，l，2u(k)一一第k次采样时刻的计算机输出值e(k)一一第k次采样时刻输入的偏差值e(k-1)一一第(k1)次采样时刻输入的偏差值-