基于ATMega16-控制直流電動機

1、電動機控制期末論文論文題目 ：基于ATMega16-控制直流電動機電機控制期末論文摘 要 本文主要介紹基于ATMega16單片機的直流電動機控制，眾所周知的，直流電動機在控制上較于步進電機有一定的優(yōu)勢的，其具有良好的起動、制動和調(diào)速性能，因此使得直流電動機得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：ATMega16單片機 直流電動機正反轉(zhuǎn) 控制原理Abstract This paper describes the DC motor control based on ATMega16 microcontroller, the well-known, DC motor control than in the step

2、per motor has some advantages, it has a good start, braking and speed control performance, the DC motor has been widely used in high-performance electric drive system. Keywords: ATMega microcontroller DC motor Control principle目 錄摘 要IIAbstractII第一章 緒 論11.1直流電機發(fā)展11.2直流電機的應(yīng)用前景21.3 直流電動機特點與構(gòu)造21.4設(shè)計內(nèi)容3第

3、二章 ATMage16單片機介紹42.1 Atmega16主要功能4第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計63.1 直流電動機的控制原理63.2 電機控制原理圖8參考文獻10附錄：1112第一章 緒 論1.1直流電機發(fā)展 1840年Wheatsone開始提出和制作了略具雛形的直線電機。從那時至今，在160多年的歷史中，直線電機經(jīng)歷了三個時期。 （1）18401955年為探索實驗時期； 從1840年到1955年的116年期間，直線電機從設(shè)想到實驗到部分實驗性應(yīng)用，經(jīng)歷了一個不斷探索，屢遭失敗的過程。自從Wheatsone提出和試制了直線電機以后，最早明確地提到直線電機文章的是1890年美國匹茲堡市的市長，在他所寫

4、的一篇文章中，首先明確地提到了直線電機以及它的專利。然而，由于當時的制造技術(shù)、工程材料以及控制技術(shù)的水平，在經(jīng)過斷斷續(xù)續(xù)20多年的頑強努力后，最終卻未能獲得成功。 在18401955年期間，是直線電機探索實驗和部分實驗應(yīng)用時期，在直線電機與旋轉(zhuǎn)電機的相互競爭中，由于直線電機的成本和效率方面沒有能夠戰(zhàn)勝旋轉(zhuǎn)電機，或者說，直線電機還沒能找到唯獨它能解決問題的領(lǐng)域，以及直線電機在設(shè)計方面也沒有突破性的成功，所以直線電機在這一時期始終未能得到真正的應(yīng)用。 （2）19561970年為開發(fā)應(yīng)用時期； 自1955年以來，直線電機進入了全面的開發(fā)階段，特別是該時期的控制技術(shù)和材料的驚人發(fā)展，更加助長了這種勢頭

5、。在這段時期，申請直線機的專利件數(shù)也開始急速增加，該時期直線電機專利的增長率超過了所有其他技術(shù)領(lǐng)域的平均增長率。 到1965年以后，隨著控制技術(shù)和材料性能的顯著提高，應(yīng)用直線電機的實用設(shè)備被逐步開發(fā)出來，例如采用直線電機的MHD泵、自動繪圖儀、磁頭定位驅(qū)動裝置、電唱機、縫紉機、空氣壓縮機、輸送裝置等。 （3）1971年至今為實用商品時期 ； 從1971年開始到目前的這個階段，直線電機終于進入了獨立的應(yīng)用時代，在這個時代，各類直線電機的應(yīng)用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機驅(qū)動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等等

6、。特別可喜的是利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗行程累計已達數(shù)十萬千米。 1.2直流電機的應(yīng)用前景 直流電機（無刷直流電機）是近幾年來小電機行業(yè)發(fā)展最快的品種之一，隨著視聽產(chǎn)品小、輕、薄化和家電產(chǎn)品的靜音節(jié)能化以及豪華型轎車需求量增多，直流電動機需要量迅速增加；直流電機用電子換向替代了電刷和換向器，具有高可靠、高效率、壽命長、調(diào)速方便、低噪音等優(yōu)點。 直流電機具有體積小、重量輕、效率高、調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)動慣量小、沒有勵磁損耗等問題，因此在各個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。國內(nèi)近年來在直流電機的設(shè)計及控制方面有很多的研究，但與國外成熟的產(chǎn)品相比還有很多地

7、方值得提高，并且很多無刷直流電機生產(chǎn)商都沒有給出具體的控制方案，因此在無刷直流電機控制方面的研究是非常有必要的。 一方面，直流電機與其他異步電機相比具有明顯的優(yōu)勢如反饋裝置更簡單、功率密度更高、輸出轉(zhuǎn)矩更大、并且電機和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮，因此無刷直流電機的應(yīng)用和研究得到了前所未有的重視。據(jù)資料統(tǒng)計表明直流電機的使用每年以較高比例增長。另一方面無刷直流電機與有刷直流電機相比有更多的優(yōu)點如電機本體結(jié)構(gòu)簡單、運行時無火花、電磁干擾小，無噪聲等，因此具備廣泛應(yīng)用前景。1.3 直流電動機特點與構(gòu)造 直流電動機特點： (1)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，

8、人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。 (2)起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。直流電動機構(gòu)造： 直流電動機分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。記住定子與轉(zhuǎn)子都是由那幾部分構(gòu)成的，注意：不要把換向極與換向器弄混淆了，記住他們兩個的作用。 定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風扇等。1.4設(shè)計內(nèi)容 本文設(shè)計主要對電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，通過按鍵開關(guān)來控制電機正反轉(zhuǎn)。以達到設(shè)計要求。

9、第二章 ATMage16單片機介紹2.1 Atmega16主要功能AVR單片機主要有ATtiny、AT90和ATmega三種系列，其結(jié)構(gòu)和基本原理都相類似。本次設(shè)計所用到的Atmega16L芯片，在這里作為電機控制的核心部件。它是一種具有40引腳的高性能、低功耗的8位微處理器。其功能特性如下4： (1) 8位CPU；(2) 先進的RISC 結(jié)構(gòu)：131條指令大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32個8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作；(3) 非易失性數(shù)據(jù)和程序存儲器：16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命可達到10,000 次以上。具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)

10、系統(tǒng)內(nèi)編程；(4) 可通過JTAG接口實現(xiàn)對FLASH、EEPROM的編程；(5) 32個可編程的I/O引線，40引腳PDIP封裝；(6) 兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/ 計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/ 計數(shù)器；(7) 片內(nèi)/ 片外中斷源；(8) 具有一個10位的AD轉(zhuǎn)換器，能對來自端口A的8位單端輸入電壓進行采樣。(9) 工作電壓：2.75.5V。速度等級：08MHz；AVR單片機的主要特點如下：1.片內(nèi)集成可擦寫10000次以上的Flash程序存儲器。由于AVR采用16位的指令，所以一個程序存儲器的存儲單元為16位，AVR的數(shù)據(jù)存儲器還是以8個

11、Bit(位)為一個單元，因此AVR還是屬于8位單片機。2.高度保密(LOCK)?？啥啻尾翆懙腇LASH具有多重密碼保護鎖死(LOCK)功能，因此可低成本高速度地完成產(chǎn)品商品化，并且可多次更改程序(產(chǎn)品升級)而不必浪費1C或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及競爭力。3.超功能精簡指令。具有32個通用作寄存器(相當于8051中的32個累加器)，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶須現(xiàn)象，1284K字節(jié)SRAM可靈活使用指令計算，并可用功能很強的C語言編程，易學、易寫、易移植。4.程序?qū)懭肫骷梢圆⑿袑懭?用編程器寫入)，也可使用串行在線編程(ISP)方法下載寫入，也就是說不必將單片機芯片從系統(tǒng)上拆下，拿到

12、萬用編程器上燒寫，而可直接在電路板上進行程序的修改、燒寫等操作，方便產(chǎn)品升級，尤其是采用SMD封裝，更利于產(chǎn)品微型化。圖2-12.2 Atmega16引腳功能Atmega16L雙列直插式(PDIP)引腳如圖2-1引腳功能簡述如下：A/VCC: 模擬/數(shù)字電源;AREF: A/D轉(zhuǎn)換參考電壓；XTAL1/2：晶振；RESET： 復(fù)位；AREF： A/D轉(zhuǎn)換參考電壓；PAPD： 雙向I/O口；TXD： USART輸出引腳；RXD： USART輸入引腳；OC1A： PWM波形輸出端；綜合以上所述，正因為ATMEGA16單片機的先進性，本設(shè)計選用該型號的單片機。 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過對ATmega

13、16等的總體了解和掌握以及對各種元器件和電路圖的分析和比較后，現(xiàn)在就進入硬件電路的設(shè)計。圖3-1 直流電動機模型3.1 直流電動機的控制原理 圖3-1是一個最簡單的直流電動機模型。在一對靜止的磁極N和S之間，裝設(shè)一個可以繞Z-Z'軸而轉(zhuǎn)動的圓柱形鐵芯，在它上面裝有矩形的線圈abcd。這個轉(zhuǎn)動的部分通常叫做電樞。線圈的兩端a和d分別接到叫做換向片的兩個半圓形銅環(huán)1和2上。換向片1和2之間是彼此絕緣的，它們和電樞裝在同一根軸上，可隨電樞一起轉(zhuǎn)動。A和B是兩個固定不動的碳質(zhì)電刷，它們和換向片之間是滑動接觸的。來自直流電源的電流就是通過電刷和換向片流到電樞的線圈里。 當電刷A和B分別與直流電源

14、的正極和負極接通時，電流從電刷A流入，而從電刷B流出。這時線圈中的電流方向是從a流向b，再從c流向d。我們知道，載流導體在圖3-2 換向器在直流電機中的作用磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則來決定。當電樞在圖3-2（a）所示的位置時，線圈ab邊的電流從a流向b，用表示，cd邊的電流從c流向d，用表示。根據(jù)左手定則可以判斷出，ab邊受力的方向是從右向左，而cd邊受力的方向是從左向右。這樣，在電樞上就產(chǎn)生了反時針方向的轉(zhuǎn)矩，因此電樞就將沿著反時針方向轉(zhuǎn)動起來。當電樞轉(zhuǎn)到使線圈的ab邊從N極下面進入S極，而cd邊從S極下面進入N極時，與線圈a端聯(lián)接的換向片1跟電刷B接觸，而與線圈d端聯(lián)接的換向片2

15、跟電刷A接觸，如圖7-5（b）所示。這樣，線圈內(nèi)的電流方向變?yōu)閺膁流向c，再從b流向a，從而保持在N極下面的導體中的電流方向不變。因此轉(zhuǎn)矩的方向也不改變，電樞仍然按照原來的反時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可以看出，換向片和電刷在直流電機中起著改換電樞線圈中電流方向的作用。 3.2 電機控制原理圖 電機通過ATMega16單片機進行控制，其控制框圖如圖3-3示：ATMega16直流電機圖3-3 具體如下圖示： 結(jié)束語通過本次課程設(shè)計，讓我明白了許多在課本之外的東西，也讓我更加深刻的體會到知識只有運用到生活，結(jié)合了生活才有無限的創(chuàng)造力，才能實現(xiàn)知識的價值。我在設(shè)計之初所遇到的問題應(yīng)該也會是大部分初學者都會

16、遇到了問題，我通過查閱書籍資料，請教同學而逐一解決問題的過程學會了很多東西。因此我對幫助我的同學表示萬分的感謝！同時論文中的很多材料取于相關(guān)書籍和互聯(lián)網(wǎng)，也向相關(guān)資料的作者表示衷心的感謝。由于我的能力有限，所以有的地方會存在錯誤，懇請老師批評指正，感謝老師！ 參考文獻1王曉明 電動機的單片機控制M，北京:北京航空航天大學出版社,20022沈文 AVR單片機C語言入門指導，北京：清華大學出版社，20033丁化成等 AVR 單片機應(yīng)用設(shè)計M，北京:北京航空航天大學出版,2002.4譚浩強 C語言程序設(shè)計（第五版）,北京：清華大學出版社，2009.15ATMega16用戶手冊附錄：程序設(shè)計框圖：程序

17、：/*K1鍵為開始,K2鍵為電機正轉(zhuǎn)，K3鍵為電機反轉(zhuǎn)*/#include<iom16v.h>#include<macros.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*1ms延時函數(shù)計算方法：計數(shù)個數(shù)（y）=延時時間*晶振頻率/6 - 1*/void delay(uint x)/3.6864M晶振為1ms uint y; while(x-) for(y=0;y<613;y+);/*IO口初始化*/ void init_IO(void) DDRA=0x00; PORTA=0xff;/PORTA做輸

18、入上拉電阻 DDRD|=BIT(6); PORTD&=BIT(6); DDRD|=BIT(7); PORTD&=BIT(7); DDRD|=BIT(4); PORTD&=BIT(4);/PORTD的4，6，7口做輸出 DDRD&=BIT(2); PORTD|=BIT(2);/*鍵盤掃描程序快速PWM模式下TOP值的計算方法輸出頻率=晶振頻率/分頻數(shù)*（1+TOP）*/void keyscan(void) uchar key; key=PINA;/從PINA讀取數(shù)據(jù) if(key=0xef) /按下K1鍵，電機全速正轉(zhuǎn) TCCR1B=0x00; TCCR1A=0x00;/關(guān)閉定時器1 PORTD|=BIT(4);/把電機使能位置一 PORTD|=BIT(6); PORTD&=BIT(7);/電機正轉(zhuǎn)A=1，B=0 while(PINA=0xef);/等待松開按鍵 if(key=0xdf)/按下K2鍵 電機正轉(zhuǎn) TCCR1B=0x00; TCCR1A=0x00;/關(guān)