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human
laborenvironment
toliberate
andimprovethecontrol
efficiency
ofthe
acceptedand
popularized
widelyused,
hasgraduallybecomean
essentialtechnology
intheproductionof
life
now,
soithas
very
far-reachingresearchvalue
ofthedesign.
Designis
aAVRmicrocontroller
basedcontrol,
usingATmega16
chip,
throughthebridge
controlofPWM
bydetectingthe
pulsenumber
of
positioning
controlgearmotor
withH,
inordertoachieve
positioncontrol
system.
Thepurposeofthedesign
isthrougha
positioncontrolsystemto
door
switches,comparedwith
manual,
moretime-saving,
moresecure,and
toincreasethepleasuresoflife.
Theresultofthedesignis:
positioncontrolsystem
design,
can
steadily
controlthe
motor,
meetsthetestrequirements.
Keywords:
AVRmicrocontroller
Hbridge
controlgearmotor
目录:
第一章:
绪论
1.1、直流伺服电机的背景、原理及分类
1.1.1:
背景:
近半个世纪以来,随着科学技术的快速发展进步,关于直流伺服控制技术的各项研究已经慢慢地走向成熟,直流伺服控制系统也随之得到了很大的重视,在研究探讨中不断的进步,在系统性能要求较高以及市场的急切需求的情况下得到了更深层次的理解,得到了广大人们的广泛地应用。
自动控制系统中伺服系统占据着极其重要的地位,因其对输入的信号能进行具有能自动运行、在标准的范围内反映出系统的真实性的特性,而也常被称为随动系统。
通过对伺服电动机控制的好坏检测也就成为了判断伺服系统性能优劣的关键,更好的、更全面的提高伺服系统的性能。
伺服电机又可以称之为执行电机,它在控制系统中最为主要的作用是作为执行元件来使用,它的主要任务是把输入其内部的电信号转换为角速度或者角位移输出,带动被控对象运动。
而且经过大量的实践,可以知道伺服系统在运动控制方面较之一般的人工操作具有高精度精度、速度快的优点,因此得到了众多人的青睐。
伺服系统最早出现在20世纪初,伴随控制理论、微电子和电力电子技术得到广泛的应用而发展起来的。
同期,由于电气方面的理论逐渐成熟,出现并发展了伺服机构,而且自动控制理论的越加成熟,促使了伺服系统断地快速发展,并在理论和实践等诸多方面有着不少的进步。
有了各种理论的指导,伺服系统的控制理论在20世纪中期已经越加的成熟,并将其具有的优势发挥得淋漓尽致,为人们的生活和生产带来巨大的影响,人们对伺服技术越加的重视,并获得广大人民的信赖,在控制领域中占据的地位显得越来越重要。
并且在新技术革命的推动,伺服技术得到了更好的发展环境,导致近几十年来的发展令人叹为观止。
1.1.2:
原理:
就工作原理而言,直流伺服电动机与直流电动机同样具有一致性,都是根据通电导体在磁场中受到磁场力作用这一基本原理制成的。
直流伺服电机即指使用直流电源的伺服电机,实际是他励式直流电动机,又称执行电机,是将控制信号转换为轴的角速度或角位移的输出。
1.1.3:
分类:
直流伺服电机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两大类;
直流伺服电机的控制方式可分为电枢控制和磁极控制两种;
电枢控制时,控制信号加到电枢绕组回路上,励磁绕组街道恒定电压的直流电源上;
磁极控制时控制信号加到励磁绕组回路上,电枢绕组接到恒定电压的直流电源上。
1.2、直流伺服电机的应用与意义
1.2.1:
应用:
直流电机具有良好的气动性能和调速性能,且尤其的适用与高精度、高性能的电力拖动系统,因而被广泛地应用于驱动扎钢机、金属切割机床、起重设备和电气机动车等的设备中。
1.2.2:
意义:
直流伺服电机的定义是直流以电源作为输入或输出的旋转电机称为直流伺服电机。
它的模拟调速系统一般是由两个闭环构成的,分别为速度闭环和电流闭环,为使他们能够相互协调、发挥作用,在系统中设置了两个调节转速和电流的调节环。
两个反馈闭环是的结构采是将一个闭环嵌套到另一个闭环上的,从而组成双闭环调速系统,因其具抗干扰的能力较强且动态响应快等的优点,所以被人们所接受,并应用到很多的生产中。
一般是由模拟运放组成PI或PID电路;
信号调理的作用是对反馈信号进行滤波、放大。
采用可编程模拟器件构成调节器电路,系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改,调试起来简单方便。
有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,维护方便等多方面的优点,因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。
随着电力电子技术和理论的越来越成熟,微型计算机成为最大的受益者,把电力电子技术推到了另一高峰,同时也促使直流伺服系统得理论与实践更加的令人信服,应用越加的广泛,极大提高单位时间内的产品的数量和质量,对其进行学术研究以获得一种更为简洁和高效的控制方法,能很的大程度提高直流伺服电动机的功能的利用率,使其得到充分的利用。
因此本设计对直流伺服电动机的研究仍具有非常重要的意义。
1.3、国内外现状和发展趋势
进入电气时代后,科学技术的不断快速发展,机械制造业也进入了数量化、数控化、智能化、半智能的潮流中,微电子技术尤其微型计算机众多人所认识、接受,为数控化发展提供了巨大的发展空间。
而伺服电机的高精度性也为数控机床、雷达跟踪、纺织机械、机器人、冶金机械等科技提供技术支持。
自动化设备的飞速发展和电子计算机外围设备的不断扩展,是的直流电机的市场需求正以每年及其可观的百分比迅速递增,再有,军事设备电子化的发展趋势和电子玩具的应用很大程度上推动了直流电机的发展。
世界各国,以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了良好的发展,并显示出良好的发展势头。
随着技术的飞速发展与人们日益增长的社会需求,采用单一控制算法的模式已很难适应这一发展趋势,因此复合控制策略的应用必然成为大众的首要选择。
复合控制策略囊括了各类控制算法的优点,使精准性、控制算法的科学性等方面的性能变得更强,综合以上的种种原因,采用复合控制策略是一种最有效、最适合大众的解决方案。
伺服控制系统的结构经过了由简单到复杂、由单闭环到多闭环的过度过程,经历了从单向调节到可逆调节的演变历程。
目前,单一调速方式逐渐被取代,多种控制理论相结合的调速方法已经成为一种主流。
伺服系统因其优点,被广泛的应用在各种领域中,尤其是微型计算机中,随之伺服系统的控制发生了质的变化改变,伺服系统的全数字化、高度集成化和智能化的要求也越来越高。
第二章:
直流伺服电机(减速电机)的工作原理、结构及其基本特性
2.1、直流伺服电机的工作原理、原理
直流伺服电动机的结构和一般直流电动机是一样的,他们间的差别在于直流伺服电机为了减小转动惯量而做得细长一些。
电机的励磁绕组和电枢分别由两个不同的电源为之供电,包括有有永磁式的,即磁极使用的是永久磁铁。
直流伺服电机一般是通过电枢控制的对其进行控制的,也就是说当励磁电压困定时,磁通量Φ也是不变的,此时在电枢上加控制电压Uc,得到如图2.1的直流伺服电动机接线图。
图2.1直流伺服电动机接线图
2.2、直流伺服电机的基本特性
直流伺服电机的基本特性包括机械特性及调节性,一下是关于它的两个特性的一些介绍。
2.2.1、直流伺服电机的机械特性
给予不同控制电压(Uc为额定控制电压)时直流伺服电动机会出现不同的机械特性,如图2.2。
从图中可分析得出,负载转矩不变和磁通的情况下,提高,电机转速升高;
反之,如果将电枢电压降低,转速也就按一定比例的降低;
当额定控制电压为零时,电动机会停止转动。
因此可以得出,要改变电枢电压的极性就可以使得电机反转。
图2.2直流伺服电动机的磁通与转速曲线
输入的电枢电压Ua保持不变时,电机的转速与电磁转矩按一定比例改变的特性,称为直流电机的机械特性。
图2.3直流电机的机械特性曲线
由图2.3可以看出,当K值越大则表示电磁转矩的变化影响到电机转速的变化越大,这时可以指导直流电机的机械特性较软;
反之,当K值越小,电机的机械特性越硬。
在直流伺服系统中,加强电机的机械特性的硬性,使之变得更硬一些,通过这种方式,在电机带动的负载变化时,引起的电机转速变化小,提高直流电机的稳定性和精度。
2.2.2、直流伺服电机的调节特性
当直流电机的电磁转矩M(或负载转矩)保持不变时,电机的稳态转速与电枢的控制电压成一定比例的规律,称为直流电机的调节特性。
图2.4直流电机的调节特性曲线
由图2.4可得出,斜率K反映了电机转速与控制电压成一定比例的关系,其值大小与负载大小无关,仅取决于电机本身的材料和外界环境等因素的影响。
2.2.3、直流伺服电机的动态特性
当给电动机电枢加上阶跃电压时,转子转速随时间的变化规律,这就是直流伺服电动机的动态特性。
可以用表达式ω=f(t)来描述。
直流伺服电动机产生存在着过渡过程而造成这种过程的原因是电动机中存在着机械惯性和电磁惯性的两种惯性。
其中机械惯性由直流伺服电动机和负载转动惯量引起的,这是造成机械过渡过程的原因之一;
电磁惯性是由电枢回路中的电感起了感应效应引起的,是造成电磁过渡过程的另外一个原因。
因为机械过渡过程比电磁过渡过程要长很多,所以为更加的方便分析计算,因此在考虑过渡过程引起的干扰时,只考虑机械过渡过程引起的干扰。
图2.5电枢等效回路
电枢回路中的动态电压平衡方程为:
在过渡过程期间,因为直流伺服电动机的电磁转矩Tm在克服负载转矩T1的同时,还要克服轴上的惯性转矩,所以得出直流伺服电动机的动态转矩平衡方程为:
式中,和是直流伺服电动机的机电时间常数和电磁时间常数,他们反映了两种过渡过程时间长短的参数;
Km是直流伺服电动机的静态放大系数
(1)当直流伺服电动机负载不变时,即dT1/dt=0,因此上式可化简为:
(2)在空载条件下,即T1=0时,上式还可进一步简化成
启动电动机,给定一个一阶跃信号的电枢控制电压Ua。
为简化分析,设其为单位阶跃信号,即ua=1
1.欠阻尼情况(0<
ζ<
1)
在这种情况下,电动机角速度是一个衰减的振荡过程的过渡过程,阻尼比ζ的大小决定了衰减过程的长短。
从上述公式可以得出的结论是电枢电路中的电感比电动机及负载部分的转动惯量大。
2.临界阻尼情况(ζ=1)
在临界阻尼情况下,电动机角位移的过渡过程与时间增加按指数规律逐渐地趋于稳定值,过渡过程中没有超调,且达到稳定值的速度较快。
3.过阻尼情况(ζ>
上述对三种阻尼情况的分析可知,为使直流伺服电动机获得平稳的、无振荡的角速度过渡过程,应使
为减小过渡过程时间,应尽量减小机电时间常数τj由式知
为减小τj可设法减小电动机电枢回路中的内阻Ra和转子及负载转动惯量J,但这样又会使电动机易于振荡。
通过加大力矩—惯量比的方法,既可加快过渡过程,又不致于引起振荡。
2.3、直流减速电机
直流减速电机的结构是在普通直流电机加上配套的齿轮减速箱.齿轮减速箱的主要的作用是为电机提供较低的电机转动速度,较大的力矩,而且齿轮箱以其不同的减慢电机的转速为电机提供了不同的力矩和转速.这极大的程度上提高了直流电机的使用率。
减速电机是由电机和减速机共同组成的,因此减速电机通常也被称为齿轮电机或齿轮马达,它通常是由专业的减速机生产厂生产组装好后以整套的形式供货。
减速电机应用比较广泛,如在钢铁行业、机械行业等的行业都会应用到。
使用减速电机相较于其他的电机,优点非常的明显,其优点是简化设计、节省空间。
减速电机的相关概述:
1、减速电机结合国际技术要求制造,具有很高的科技含量。
2、占内存少,耐用可靠,有较高的过载承受力,功率大。
3、耗能低,性能耗,减速机效率高。
4、抗干扰能力强。
5、经过精密加工,确保定位精度,这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置了各类电机,形成了机电一体化,完全保证了产品使用质量特征。
6、产品才用了系列化、模块化的设计思想,有广泛的适应性,本系列产品有极其多的电机组合、安装位置和结构方案,可按实际需要选择任意转速和各种结构形式。
减速电机分类
:
1、大功率齿轮减速电机
2、同轴式斜齿轮减速电机
3、平行轴斜齿轮减速电机
4、螺旋锥齿轮减速电机
5、YCJ系列齿轮减速电机
减速电机广泛应用于各个行业的生产,适合各种通用机械设备的减速传动机构。
综合上面所说的,减速电机具有占内存少,耐用可靠,有较高的过载承受力,功率大耗能低,性能耗,减速机效率高,抗干扰能力强等的诸多优点,适合一些大工程的使用,例如应用于冶金、矿山、起重、运输、水泥、建筑、化工、纺织、印染、制药等各种通用机械设备的减速传动机构
第三章:
AVR单片机系统的结构概况
3.1、单片机的基本组成结构
单片机是单片机嵌入式系统的核心部分,它的内部结构特点是把和组成计算机一样的基本元件组合在一块晶体芯片上,构成一片具有特定功能的单片机。
大多数的AVR单片机内部的基本结构组成如图3-1所示。
图3.1单片机的基本组成
从图3.1中可以看出,一片(单片机)芯片的组成跟计算机系统的构造是一样的,其中包含了CPU、数据存储器、程序(指令)存储器、各种类型的输入/输出接口等的计算机系统的最基本的单元。
CPU与各个基本单元通过芯片内的内部总线(包括数据总线、地址总线和控制总线)连接。
一般情况下,内部总线中的数据总线宽度也是标定该单片机等级的一个重要指标。
总的来说,内部数据总线宽度为4位(4位机)一般用于低档单片机的,内部数据总线宽度一般为8位(8位机)一般用于中档单片机的,内部数据总线宽度为16或32位一般用于高档单片机。
3.2、AVR单片机的介绍
图3.2AVR单片机的内部结构框图
图3.2是一般的AVR单片机的内部结构图。
现在的AVR单片机系列有着数十种不同的型号,但它们都有着共同的内核结构,因此他们的指令兼容。
为了提高程序的并行处理的运行效率,AVR单片机采用了Harvard结构,即程序和数据的存储器使用不同的存储空间和存取总线。
算术逻辑单元(ALU)的访问方式为使用单级流水线操作方式对程序存储器进行访问,在执行正在进行的一条指令的同时,也完成了从程序存储器中取出另外的一条将要操作指令的操作,通过这种方式执行一条指令仅需要一个周期,大大缩减了执行指令的时间。
在AVR的内核结构中,由32个访问操作只需要一个时钟周期的8位通用工作寄存器在一个时钟周期内执行一个完整的ALU操作。
这个ALU操作中包含了从存储器组中提取出两个操作数,操作数被执行,将执行结果写回目的寄存器中的三个过程。
而这三个过程是在一个时钟周期内同时完成的,构成一个完整的ALU操作。
单片机有32个通用工作寄存器,其中有6个寄存器可以合并成为3个16位的,主要是用来对数据存储器空间进行间接寻址的间接地址寄存器(存放地址指针),使之可以实现高效的地址计算。
而这3个16位的间接地址寄存器通常被称为:
X寄存器,Y寄存器和Z寄存器。
其中Z寄存器还能作为间接寻址程序存储器空间的地址寄存器,适用于在Flash程序存储器空间进行查表等的操作。
AVR的算术逻辑单元(ALU)支持寄存器之间,立即数与寄存器之间的算术与逻辑运算功能,以及单一寄存器操作。
每一次运算操作的结果都将会影响和改变状态寄存器(SREG)的值。
在使用条件转移、无条件转移和调用指令时,可以直接访问控制程序的执行顺序以及全部Flash程序存储器空间。
绝大部分AVR指令为单一16位格式,只有少数指令为32位格式。
因此,AVR的程序存储器单元为16位,即每个程序地址(两字节地址)单元存放一条单一的16位指令字。
而一条32位的指令字,就要占据2个程序存储器单元。
在AVR单片机中,所有的存储器空间都是线性的。
数据存储器(SRAM)可以以多种不同的寻址方式对数据存储器进行访问。
AVR的中断控制是由I/O寄存器空间的中断控制寄存器和状态寄存器中的全局中断允许位共同组成的。
而且每一个中断都分别对应一个中断向量(中断入口地址)。
全部的中断向量构成了中断向量表,该中断向量表位于Flash程序存储器空间的最前面。
中断的中断向量地址越小,其中断的优先级越高。
3.3、ATmega16单片机的介绍
ATmega16引脚图
ATmega16的引脚的功能说明:
VCC:
数字电路的电源
GND:
地
端口A(PA7..PA0):
端口A做为A/D转换器的模拟输入端
端口B(PB7..PB0):
端口B为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻
端口C(PC7..PC0):
端口C为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
端口D(PD7..PD0):
端口D为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻
RESET:
复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位
XTAL1:
反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2:
反向振荡放大器的输出端。
AVCC:
AVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时,该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREF:
A/D的模拟基准输入引脚。
ATmega16单片机的Flash程序存储器空间由引导程序段和应用程序段两个段组成。
两个段可以通过设置对应的锁定位(Lock
bits)来实现对读取及操作的保护。
在引导程序段内驻留的引导程序中,通过使用SPM指令,可以实现对应用程序段的写操作(实现在应用自编程IAP功能,使系统能够自己更新系统程序)。
在响应中断服务和子程序调用的过程中,程序计数器PC中返回的地址将被存储于堆栈之中。
堆栈空间占用数据存储器(SRAM)中一段连续的地址。
所以,堆栈空间的大小会受到系统总的系统程序对SRAM的使用量以及数据存储器(SRAM)的大小的限制。
在对一个16位的堆栈指针寄存器SP进行初始化设置(或在子程序和中断程序被执行之前)前,要先对用户程序应在系统上电复位。
I/O空间是连续的64个I/O寄存器空间,它们所对应的是MCU各个外围功能的控制和数据寄存器地址,如定时器/计数器、控制寄存器、A/D转换器及其他的I/O功能等。
I/O寄存器访问指令可以被I/O寄存器空间直接访问,也可将I/O寄存器空间映射为通用工作寄存器组后的数据存储器空间,使用数据存储器访问指令进行操作。
I/O寄存器空间在数据存储器空间的映射地址为
$020~$05F。
第四章:
AVR单片机实现位置控制
4.1、设计的原理:
本设计独立按键选择电机旋转度数,光电码盘进行测取电机脉冲数,当脉冲个数达到时,停止电机,通过pwm控制h桥电路,从而进行定位。
4.1.1、H桥电路
H桥电路的主要作用是控制电机正反转,其结构如图4.1。
由图中可以看出它的组成部分分别有Q1、Q2这两个P型场效应管与Q3、Q4这两个N型场效应管,因此被称为P-NMOS管H桥,而这Q1、Q2、Q3、Q4的作用是开关,当P型管在栅极为低电平时导通,反之则不导通;
当N型管在栅极为高电平时导通,反之则不导通。
场效应管的作用是电压控制型元件,栅极则几乎没有电流流过。
通过利用这个特点,就可以控制点击的正反转,以下就是关于点击正反转的一些介绍:
电机正传:
连接好图4.1的电路,在控制臂1处加上高电平(U=VCC)、在控制臂2处加上低电平(U=0)时,此时,Q2、Q3导通,Q1、Q4关闭,电机的右端高电平,左端低电平,因此电流是按照箭头指向的方向流动。
设为电机正转。
电机反转:
在控制臂1处加上低电平、在控制臂2处加上高电平时,Q1、Q4导通,Q2、Q3关闭,电机的右端低电平,左端高电平,因此电流是按照箭头指向的方向流动。
设为电机反转。
图4.1H桥电路图
当控制臂1和控制臂2同时加上低电平时,Q1、Q2导通,Q3、Q4关闭,电机两端处于高电平状态,电机不转;
当控制臂1和控制臂2同时加上高电平时,Q1、Q2关闭,Q3、Q4导通,电机两端处于低电平状态,电机也不转,
由上述克制,该电路的最大的优点是控制臂在除了悬空状态的任意状态下,H桥都不会出现“短路的现象,增加了系统的稳定性和安全性。
下面是关于与非门CD4011组成的栅极驱动电路的介绍,如图4.2。
由于在本设计中的单片机输出电压的控制范围在零到五伏,并且只有在零伏或七伏电压地条件下场效应管才能使H桥的控制臂完全导通,在CD4011电源电压为7.2V的前提下,当PWM输入得电压为0V或5V时,栅极驱动电路输出电压为0V或7.2V。
图4.2栅极驱动电路图
综合以上的两个电路可以得出图4.3:
在调试的过程中,单片机的两个PWM输入端其中一个接地,另一个悬空(上拉置1),电机转为正常。
监视MOS管温度,如发热立即切断电源检查电路。
CD4011的14引脚接7.2V,7引脚接地。
图4.3CD4011电路图
因此在运行
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