基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计

基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计

郑宪伟,赵玉林,陈广大

(东北农业大学工程学院,哈尔滨150030)

摘要:介绍了以AVR单片机作为核心控制芯片,采用PW M控制方式,应用PI D控制算法,通过直流电动机驱动芯片LT M18200和光电编码器实现的速度反馈闭环控制系统,给出了硬件电路和相应的软件设计。

关键词:AVR单片机;PW M;直流电动机;PI D

中图分类号:TP368.1;T M33　文献标志码:A　文章编号:100320794(2008)0120120203 Design of DC E lectromotor Closed-loop Timing System Controlled by PW M and B ased on AVR Microcontroller

ZHENG Xian-w ei,ZH AO Yu-lin,CHEN G unag-d a

(Engineering C ollege,N ortheast Agricultural University,Harbin150030,China)

Abstract:Introduces a system of speed feedback controlled by closed-loop,in which AVR Microcontroller is used as the core control chip and the m ode controlled by PW M.The alg orithm controlled by PI D,the DC elec2 trom otor drive chip(LT M18200)and the photoelectric encoder are adopted.The design of circuit of hardware and corresponding s oftware is als o given.

K ey w ords:AVR microcontroller;PW M;DC m oter;PI D

1　硬件原理

1.1　系统工作原理

AVR单片机AT mega8采用先进的RISC结构,具有高速度、低功耗、片内资源丰富、电源抗干扰能力

整和安全,为安全管理人员对数据的收集、统计、分析工作提供准确完整的资料,确保下一步数据分析处理工作顺利开展。

(2)解决了对一线安全巡检人员管理监督的难题

目前对巡检人员的管理监督都是沿用传统的“人管人”的模式,实际操作中易受到人为因素的影响,巡检工作中不可避免地会出现监管的空白和漏洞,存在巡检员空班、漏检现象。管理人员在系统管理界面上可以检查巡检人的工作记录和巡检工作的完成情况,对巡检中的超时、空班、漏检现象一目了然。

如此以来由原来的人监督人模式转化为计算机监督的先进模式,解决了对一线安全检查人员实施有效监督管理的难题,提高了安全管理水平,杜绝了人为因素在安全工作中造成的隐患。

(3)真正实现了“一通三防”记录的自动化管理

安全智能巡检系统具备强大的数据处理功能,系统可以对采集的瓦斯、煤尘、通风等大量检测数据自动进行记录、整合、处理,形成符合矿山安全工作要求的通风瓦斯台帐报表。由于以上步骤都是由系统自动完成,不需要人工录入计算,这样避免了人为的错误,真正做到数据录入,数据计算、分析的自动化,为安全管理部门的决策提供了可靠的依据。所有数据可自动形成数据库永久保存,以备随时查询。

(4)可实现网络查询功能

系统提供数据网络接口,可以利用Internet或局域网将巡检数据和分析报表等传送到有关部门,实现安检信息与其他各种安全管理系统的整合和信息共享,实现远程查询。企业领导和安全管理者可以在办公室随时查阅矿井安全生产信息,不必亲临一线,提高了办公效率,真正做到安全信息心中有数,为安全工作开展提供了极大便利。

4　结语

本系统采用非接触式射频卡,无线通讯,布设简单,安全可靠。巡检仪控制器采用低功耗芯片MSP430具有低功耗、防耗电设计,采用先进的flash 存储技术,超大容量,掉电后数据可保存20a。提供网络接口,实现安检信息与其他各种安全管理系统的整合和信息共享,实现远程查询。

参考文献:

[1]李朝青.PC机与单片机数据通信技术[M].北京:北京航空航天大

学出版社,2000.

[2]王敏,王金海.基于CG I技术的安全信息管理系统的设计与实现

[J].计算机应用研究,2005(7).

作者简介:王敏(1975-),女,山东济宁人,讲师,博士生,主要研究方向:网络及远程监控技术,电子信箱:sd2wangmin@1631com.

收稿日期:2007207220

第29卷第1期2008年　1月　　　　　　　　　　　　　　　　

煤　矿　机　械

C oal Mine Machinery

　　　　　　　　　　　　　　　　V ol129N o11

Jan.2008

强等特点。AT mega8具有32个通用工作寄存器及丰富的指令集;带有硬件乘法器;它有三通道的PW M 输出和8路10位ADC ;还带有8K 的F LASH 和1K 的SRAM 。闭环控制系统的原理如图1所示

。

图1　闭环控制系统原理示意图

主要由AT mega8单片机、LT M18200驱动电路、

增量式光电编码器、编码器接口电路、LC D 显示、232串行通讯接口电路构成。

系统工作原理: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单片机。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PI D 控制算法得出控制量。单片机根据得到的控制量

,改变输出PW M 信号的脉宽。PW M 信号通过光耦隔离,经LT M18200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。1.2　光电编码器接口

光电编码器有4个端口,2个电源端口2个脉冲输出端口(A 、B )。光电编码器输出信号形式如图2所示。

图2　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,A 、B 两相脉冲相差90°相位角,如果A 相脉冲比B 相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转。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3所示。

图3　编码器接口硬件电路

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

　　　　　　　ω=c ΔN ΠT s (1)式中

c ———标度变换系数,可根据转速的量纲来

选择;

ΔN ———一个采样周期中的计数值,它的符号

反映电机的转动方向;T s ———采样周期。

1.3　LT M18200驱动接口

AVR 单片机AT mega8输出的PW M 信号需要经过功率放大才能控制直流电机,本系统采用LT M18200作为驱动芯片。驱动接口电路如图4所示。

图4　LT M18200驱动接口电路图

　　LM D18200的工作电压高达55V ,峰值输出电

流高达6A ,连续输出电流达3A ,它提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个

PW M 周期里,电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点,但也存在着电流波动大,功率损耗较大的缺点,尤其是

触发器,输出经光耦接到单片机5脚(I NT1)

上,以中

断方式申请过流触发。U

I N

为LT M18200第8脚接对

地电阻所对应的输出电压,U

R接基准电压,U R= (电机电枢允许最大输入电流)×(对地电阻阻值)。

图5　电流保护电路图

2　软件设计

本系统的软件设计包括单片机程序和在上位机上运行的应用程序。单片机控制软件采用C语言模块化程序结构。从结构上看,系统程序主要包括一个主循环体程序、串口数据处理程序、PI D控制程序、中断服务程序和液晶显示控制程序。PI D控制程序通过采集实时转速值与设定值的偏差,通过软件编程实现转速的PI D调节器的运算,从而实现电机的闭环控制。

2.1　主程序流程图

主程序的结构如图6所示。

2.2　PI D调节程序流程图

在连续控制系统中,按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的PI D控制器获得了广泛的应用。它结构简单,参数易于调整,适应性广。本程序采用增量式数字PI D程序以PW M方式来对直流电机进行调速。

增量式数字PI D调节的数学表达式为

D(z)=U(z)

E(z)

=

a0-a1z-1+a2z-2

1-z

(2)

a0=K P(1+T

T I

+

T D

T

),a

1

=K P(1+2

T D

T

),a

2

=K P

T

D

T

式中K P———比例常数;

T I

———积分时间常数;

T D———微分时间常数;

T———采样周期。

图6　系统总流程图

软件实现PI D算法的流程如图7所示。

图7　增量式数字PI D控制程序的流程图

参考文献:

[1]吴洪星.电机驱动与控制专用集成电路及应用[M].北京:中国电

力出版社,2006.

[2]陈小忠,黄宁,赵小侠.单片机接口技术实用子程序[M].北京:人

民邮电出版社,2005.

[3]张军.AVR单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出

版社,2005.

[4]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2005.

[5]马忠梅.单片机C语言W indows环境编程宝典[M].北京:北京航

空航天大学出版社,2003.

作者简介:郑宪伟(1982-),黑龙江哈尔滨人,在读硕士生,研

究方向地方电力系统自动化,赵玉林为本文章通讯作者.

收稿日期:2007208220