控制直流伺服发动机位置

– 硬件和软件之间的链接。
1.3. 研究方法和项目实施
❖ 研究课题的理论基础，设计位置控制电路并建立
该方案包括以下内容：
第一章：提出问题。
第二章：直流伺服电机概述及应用：
– 介绍了结构、工作原理、控制方法和应用
采用直流伺服电机。
第 3 章：微控制器和功率元件概述：
– 概述 AVR 微控制器系列。
– 介绍一些常用于设计电源电路的电源元件。
第四章：直流伺服电机位置控制器的设计：
– 设计直流伺服电机位置控制电路
– 研究电机位置控制问题的PID控制算法。
– 使用设计的电源电路与PID控制器相结合
直流电机的基于位置的控制。
– 实验。
第 5 章：实现电机控制：
– 建立直流电机的数学模型。
– 建立控制算法图。
– 发动机控制编程。
5

❖ 研究范围：
 控制器件：atmega16学习电路
 100 脉冲编码器电机
 电源电路——位置控制驱动器
 与计算机RS232标准通讯
 编程软件：CodeVisionAVR V2.05.0

 

 

 

第 2 章：直流伺服电机概述
应用
2.1.直流电动机的结构、分类及工作原理
2.1.1.结构

图2. 1：直流电机
直流电机主要由定子和转子两部分组成，此外还有定子和转子。
部件如：换向器、碳刷、轴、轴承、盖、盖和编码器在直流伺服电机中，编码器盘安装在电机轴上，以及对编码器脉冲进行计数的传感器电路。
有关微控制器 (VDK) 的反馈。

6

图 2.2：实际直流伺服电机
一个。定子
定子是电机的励磁部分——传感部分，产生磁场的部分。包括电路
磁铁和励磁线。
– 磁路由铁磁铁（铸钢、实心钢）制成。
– 励磁绕组由截面为圆形或矩形的铜线制成
涂有绝缘漆并卷成卷，这些卷相连
继续彼此。
b.转子
转子是产生电动势的部件——电枢。包括钢芯、电枢绕组、
换向器和碳刷。
– 由电气工程钢板连接在一起制成的圆柱形钢芯。叶子
钢材上有通风孔和槽，用于放置电枢绕组。
– 电枢线圈由许多按规则连接在一起的线圈组成
肯定。每个线圈由许多匝导线组成，线圈的导线端部是
连接到称为集电板的铜板。

 

 

 

7

– 换向器由绝缘铜换向器板组成，呈圆柱形，
安装在转子轴的末端
– 碳刷由石墨碳制成，碳刷紧紧地压在换向器上
春天。
2.1.2. 直流电动机的分类、优缺点
一个。分类
在考虑直流电机时，根据电机励磁方式对它们进行分类
常用的直流电动机有4种类型：
– 自励直流电动机：配备电枢和励磁部分
由两个不同的来源提供。
– 并励直流电机：励磁线圈并联
与电枢平行。
– 串励直流电动机：励磁线圈串联
带电枢。
– 混合励磁直流电动机：由2个励磁线圈、1个线圈组成
与电枢并联，并与电枢串联一个线圈。
b.直流电动机的优点和缺点
– 优势：
+ 调整速度和过载能力。
+ 采用单一的电源电路和控制电路结构，可实现大范围、精确的调节
异步电机无法做到既简单又高质量。
满足或如果满足，必须支付随附的转换设备费用
（如逆变器……）非常昂贵。
– 缺点：
8

 

 

 

与异步电机相比，制造相同尺寸的直流电机
由于使用更多的有色金属、制造和维护换向器，成本更高
更复杂。
2.1.3.直流电动机的工作原理
当施加直流电压时，电枢绕组中就有电流。酒吧
在磁场中承载电流的导体将受到使转子沿一个方向旋转的力
电磁力的大小由左手定则确定。

图 2.3：第一阶段
第 1 阶段：转子的磁场与定子具有相同的磁极，并且会相互排斥，从而产生运动
转子的旋转。

图 2.4：阶段 2（转子继续旋转）

9

图 2.5：第 3 阶段
第三阶段：电动调节器改变极性，使定子和转子之间的磁场相同
标记，返回阶段1。

2.2.控制直流电机的方法
– 控制单向电机的速度。
– 单向电机的控制位置。
2.2.1 直流电机转速控制方法
– 改变电枢电阻的方法
– 改变磁通量Ф的方法
– 改变电枢电压的方法
– PWM脉冲调制方式

 

 

一个。改变电枢电阻的方法
这是控制直流电机速度的常用方法。
控制原理：设U=Uđm，Ф=Фđm，并在电路中增加一个附加电阻
电枢以增加电枢电阻。
– 该方法的特点：
电枢回路电阻越大，特性斜率越大，机械特性
越软，速度稳定性越差，速度误差越大。此方法
10

调速只允许在低于额定速度的区域进行（只允许
速度向减小方向变化）。仅适用于小容量电动机，因为
辅助电阻上的能量损失降低了电机的实际效率
通常用于起重机的电动机。
– 评估标准：
该方法不能连续控制，必须跳跃控制
授予。调节范围取决于负载力矩指标，负载越小，调节范围越大
D = 𝜔max/𝜔min 较小。该方法可以在D=3的范围内调整：
1 初始投资成本便宜，但由于辅助电阻损耗较大，并不经济，
尽管控制非常简单，但质量不高。
b.改变磁通量Ф的方法
– 控制原理：
当通过减少磁通量来提高电机速度时，电流增大并增大
如果扭矩保持恒定，则超过允许值。所以想保留
使电流不超过允许值同时减少磁通量
我们必须以相同比例减少扭矩。
– 该方法的特点：
此方法可以将速度改为增加此方法仅进行调整。
负载区域的控制与标准相比不是太大，改变磁通量不起作用
改变短路电流。速度调节是通过改变字

 

 

吞吐量是一种恒定功率的控制方法。
– 评估控制标准：

11

速度误差大，控制特性高于自然特性且比自然特性更陡。
控制范围取决于机器的机械部分。可以在范围内平稳控制
调整D=3： 1、由于励磁线圈容量小，所以励磁电流小
因此我们可以连续控制 Ф ≈ 1。
这种方法应用比较普遍，可以不断变化，
经济（因为速度调节是在励磁电路中用励磁电流（1 ÷
10)%Idm 电枢，因此调谐损耗较低）。这是近似方法
仅适用于直流电机需要调节转速大于转速时
控制。
c.改变电枢电压的方法：
为了调节直流电机的电枢电压，需要使用源设备，例如
自励直流发电机、控制整流器…设备
该电源装置具有将交流电能转换成电能的功能
电动势Eb的方向通过控制信号Udk来调整。因为来源有可取之处
与电机相比功率有限，因此这些转换器具有内阻 Rb 和电力
感觉 Lb 不为零。使电机在较宽的范围内达到高效率
1:10 或更多。
由于电机的磁通量保持恒定，因此机械特性刚度也保持恒定
恒定，而理想的空载转速取决于控制电压值
系统的udk，所以可以说这个调整方法是彻底的。
+ 点评：以上三种方法均可调节电机转速
单向但唯一改变施加到电枢的电压Uu的方法
电机是最好且最常用的，因为它具有刚度的机械特性
调速恒定、平稳、无损耗。

在本课题的研究和实现中，我使用了调制方法
PWM脉冲，是直流电机控制中常用的方法。
d. PWM脉冲调制方式
PWM（脉冲宽度调制）是一种调制方法
调整输出电压或基于改变方波脉冲序列的宽度进行调制
导致计算输出电压的变化。
该方法是根据随负载切换源的原理来实现的
并根据规定定期切换时间。实施要素
该任务在半导体阀电路中。
PWM在电机中常用来控制电机，例如
快、慢、正转、反转、稳定速度，适用于多种应用
1路电机控制。
2.2.2. 单向电机位置控制方法
仓位调整系统构建原则：
在位置控制系统中，控制量（设定量φd）具有重要意义
决定了控制系统的结构，通常控制量φd为1。
时间的函数，可以是逐步函数、线性函数或线性函数
时间段、抛物线函数和调和函数。
根据控制量，我们有一个驱动系统来控制肌肉的位置
根据跟踪模式的位移结构或位置控制系统（自动系统）。
在传动控制系统中，物理参数的位置发生变化
一般来说，人们非常关注系统的反应速度。这是相关的
与速度 ω(t)、加速度 ε(t) 和位置 φ(t) 的最优图相关。构建系统
13

控制方面，我们依靠快速电动驱动的最优规律进行研究

 

 

保存运动阶段轨迹。
2.3.直流电机的应用
直流电动机在工业运输等领域占有一定的地位
运输，在需要在一定范围内连续转速控制的设备中
宽的：
– 在当今的生活中：电动机用于电风扇、吹风机和机器
喝醉了冰沙，…
– 在农业中：电动机用于泵、脱粒机和研磨机
擦，…
– 交通运输：电动机用于电动自行车、电动摩托车和汽车
电力、火车、…
– 在工业中：用于工业机器、车床、
铣床、现代数控机床、机器人手臂、轧钢机、机器
大型工具、电力机车……。
虽然与异步电机相比创建相同的直流电机
由于使用更多的有色金属和古董保存，尺寸更昂贵
贡献比较复杂……但由于其优点，直流机仍然存在
现代生产中不可缺少的。
2.4. 相对光脉冲编码器
为了控制转数或发动机转速，我们必须
读取电机的旋转角度。可以采用多种方法进行测定

14

电机的旋转角度包括测量旋转速度，使用旋转电阻，或者使用
编码器。在本主题中，我使用 100 脉冲编码器。
2.4.1.相对编码器的结构及工作原理
一个。结构
光脉冲编码器只有一圈等槽。地点

通过计算通过光学传感器的轨迹脉冲数来确定，
其中每个凹槽对应于给定的角度。这个系统需要一个基准，
该参考点由位于侧面的第二个光学传感器确定
或只是机械停止或限位开关。

图 2.6：相关编码器结构
编码器通常有 3 个通道（3 个输出），包括通道 A、通道 B 和通道 I
（指数）。在图2.6中，我们看到转盘内侧有一个小孔和一对
专用于这个小孔的发射器-接收器。那是编码器的 I 通道。每次电机
旋转一次，发射接收对的位置出现一个小孔，磁红外
光源将穿过小孔到达光学传感器，就会出现信号
传感器。因此，电机每转一圈，通道 I 就会出现一个“脉冲”。旁
旋转盘外部分为小磁道和另一对接收器-发射器
这些凹槽。这是编码器的A通道，A通道的操作类似
通道I，不同的是电机转动1圈，出现N个“脉冲”
通道A。N是光盘上的磁道数，称为编码器的分辨率。
每种类型的编码器都有不同的分辨率，有时每张光盘上只有几条轨道
但也有数千条轨道被分割的情况。为了控制电机，
我们必须知道所使用的编码器的分辨率。分辨率影响度数
控制精度和控制方法。图中未显示
2.6，但是在编码器上有另一对收发器放置在顶部
与通道 A 的圆，但稍微偏移（偏移 M+0.5 凹槽），这是通道 B
编码器。来自通道 B 的脉冲信号与通道 A 具有相同的频率，但相位差 90 度。
通过组合A、B通道，我们就可以知道电机的旋转方向。
b. 相对编码器工作原理
单个光学传感器无法传达有关旋转方向的信息
因此，在一个系统中我们使用两个光学传感器。图2.7说明了两个

传感器V1和V2布置在同一条线上并且彼此偏移。就说V1吧
最初关闭 (OFF)，而 V2 开启 (ON)。想象一下圆盘开始向后旋转
顺时针（CCW – 逆时针）。首先发生的事情是 V1 将
完全接通，而 V2 保持接通。更多旋转后，V2 将关闭，并且
过了一会儿，V1 也将关闭。下图b部分显示了V1和V2的波形。

(a) 两个光学传感器
®-î s s s sp tho x¸c
旋转方式

(b) 旋转时亮起
根据方向
金子

(c) 旋转时亮起
根据针方向
®hå

图 2.7：传感器排列 V1 和 V2
脉冲编码器的硬件比绝对编码器简单，原因很简单。
简单的是我们不直接以二进制代码接收位置信息
相反，必须包含一个解码器电路来进行转换。
将来自光学传感器的信号转换为二进制字实际上，该电路有两个。
part：第一部分定义了旋转方向的信息，第二部分是一个集合
一个可逆计数器（一个可逆计数器）来计算磁道的数量。该电路的框图
如图 2.7 所示。从图中我们可以看到 V1 和 V2 已切换
更改为两个新信号，表示“倒计时”和“向上计数”。

图 2.7：解码器电路框图

第 3 章：微控制器和各部分概述
土耳其电力公司
3.1. AVR 微控制器概述
3.1.1.微控制器简介
微控制器（microcontroller – MC）的概念对于很多人来说是相当熟悉的
IT、电子、自动控制、机电一体化…的学生是其中之一
IC最适合代替数字IC来设计逻辑电路。今天已经
有些MC集成了逻辑电路的所有功能。说不
这意味着数字 IC 以及其他可编程数字电路 IC（例如 PLC）……
不再需要。 MC也有局限性，最明显的是速度慢
比逻辑电路…MC也是一台计算机——一台嵌入式计算机，因为它是完整的
17 号

计算机的功能。有CPU、程序存储器、数据存储器、I/O
和数据交换总线。需要区分MC的概念和微处理器的概念
（微处理器 – MP），例如 8088。 MP 只是 CPU，没有
其他组件如I/O存储器、存储器。如果要使用MP，则需要附加功能
该功能现在称为微处理器系统。因为密度
如果在某个电子电路中必须在MC和MP之间进行选择，则应注意这一点
人们当然会选择MC，因为集成的功能会便宜很多
其他功能都集成到芯片中。因此，要运行微控制器，需要满足以下条件
什么事件：

首先是电源，电源是电路中第一个也是最基本的东西。
没有电源，就不能称为电子电路。 vi 电源
控制器是单路源。

第二个是振荡器电路，假设在对 AVR 进行编程时：到了时间。
A做了某项工作，那么他用什么来判断时机呢？
A点？这就是振荡电路。例如，每个人都团结在一起
标准工作时间。单片机系统也是如此，当时的整个系统
以时钟时钟-振荡电路时钟作为标准时钟进行操作
动态的。
第三是外围设备，这里是与微控制器通信的设备。
控制器执行微控制器指定的特定任务。例如，想要
控制1路电机，但由于单片机只输出05V电压，控制电流几十mA，所以无法直接连接该电源。
电机进入微控制器进行控制，但必须通过另一个称为外部设备的设备
vi，更准确地说这里是驱动程序，人们使用驱动程序才能控制它
小电源产生大电流。键盘、开关……都是外围设备。
第四个是程序，这是加载微控制器的.hex文件。
主程序是将算法实现为命令，然后编译为十六进制代码
加载到微控制器中。
学习AVR的工具：
– 编程语言：C、ASM…
– 编程软件：IAR、CodeVisionAVR…
– 充电电路：STK200/300/500、Burn-E…
– 开发电路：白板、仿真软件、套件…
3.1.2.AVR单片机
AVR 是 Atmel 制造的一系列微控制器。 AVR是一个微控制器芯片
8位简化指令集结构-RISC（精简指令集
Computer），这种架构正在处理器中显示出其主导地位。相比于
与其他8位单片机芯片相比，AVR具有更多的特点，在功能方面更是如此
应用程序（易于使用），特别是在功能方面。
我们在使用时几乎不需要任何额外的配件

AVR，甚至不需要芯片的时钟源（通常是果冻块
anh） AVR 的编程设备（加载电路）非常简单，只需要一种加载电路。
几个电阻是可行的。一些 AVR 还支持片上编程
bootloader不需要充电电路…除了用ASM、AVR结构编程
设计为与 C 兼容的资源。
注意……互联网上巨大。大多数AVR芯片具有以下特点：
✓ 同步SPI 接口。
✓ 可编程输入/输出 (I/O) 路径。
✓ I2C 通信。
✓ 10 位 ADC 转换器。
✓ PWM 脉冲散列通道。
✓ 睡眠、待机等节能模式。
✓ 看门狗定时器。
✓ 3组8位定时器/计数器。
✓ 1 组 16 位定时器/计数器。
✓ 1 个模拟比较器。
✓ EEPROM 存储器。
✓ USART 通信..等。
3.1.3. Atmega16 概述
a.特点
Atmelga16 具有 AVR 系列的所有功能，与同价位的其他型号相比
在研究和进行微控制器计算应用工作时是中等的。
力量：
– 高性能、低功耗8位AVR微控制器
– 命令结构简单，命令执行时间相同
✓ 1 个芯片周期内执行 130 条指令
✓ 32 个通用 8 位寄存器

✓ 在 16 MHz 下运行时支持 16 MIPS
✓ 积分乘法器 2 在 2 个码片周期内执行
– 非易失性程序和数据存储器
✓ 可编程闪存系统中的 16k 字节可加载和擦除 1000 次
✓ 在系统中使用独立外观位初始化代码段的选项等于
如何进入芯片启动程序
✓ 512字节EPROM可擦写10万次
✓ 1k字节内部静态RAM（内部SRAM）
✓ 安全软件密钥编程
– 外围功能
✓ 2 个 8 位定时器/计数器，具有独立的计数模式
和比较类型
✓ 1 个 16 位定时器/计数器，具有独立的计数模式
轮流比较型和事件捕获型
✓ 带有独立振荡器的实时计数器
✓ 4 个 PWM 脉冲哈希通道
✓ 8 个 10 位 ADC 通道
✓ 字节直接两条串行通信线
✓ 可编程串行USART接口
✓ 主/从串行SPI通信（主/从）
✓ 可编程定时器单独监控芯片时钟
✓ 集成模拟比较器
– JTAG通讯
– 微控制器的特殊功能
✓ 可编程上电复位和欠压检测模式
✓ 内部集成RC振荡电路
✓ 内部和外部中断

✓ 6种睡眠模式：空闲、ADC降噪、节能、低功耗、
待机和延长待机
– 输入/输出和数据包
✓ 32 个可编程输入和输出引脚

✓ 40 引脚 PDIP 和 44 引脚 TQFP
– 使用电压
✓ 5V 与 atmega16 一起使用
– 芯片的时钟速度
✓ atmega16 为 0 – 16 MHz
一个。引脚排列和功能

图 3.1：Atmega16 引脚图。
Atmega16 包括 40 个引脚：
– 引脚 1 至 8：可使用并行数据输入和输出端口 B (PORTB)
使用特殊功能
– 引脚 9：RESET，使芯片返回到原始状态
– 引脚 10：VCC 为微控制器供电
– 引脚 11,31：GND 这两个引脚连接在一起并接地。
– 引脚12,13：2个引脚XTAL2和XTAL1用于从外部输入时钟
芯片
– 引脚 14 至 21：并行数据输入和输出端口 D (PORTD)
可以使用特殊函数代替导入和导出数据

– 引脚 22 至 29：可使用并行数据输入和输出端口 C (PORTC)

使用特殊功能
– 引脚 30：AVCC 为 ADC 提供比较电压
– 引脚 32：AREF 电压比较 ADC 输入信号
– 引脚33至40：并行数据输入输出端口A（PORTA），此外，它还
集成模数信号转换器 ADC（模数转换器）
数字转换器）。
b. Atmega16微控制器的输入和输出
– PORTA (PA7 … PA0)：是数字引脚 33 至 40。是并行输入和输出端口
不处于 ADC 模式时为 8 位。内部上拉电阻可用，当 PORTA
为输出时，上拉电阻无效，当 PORTA 输入时，上拉电阻无效
拖动已启用。
– PORTB (PB7 … PB0)：是数字引脚 1 至 8。与 PORTA 类似
当使用并行输入和输出时。此外，PORTB引脚还具有功能
特殊功能将在后面提到。
– PORTC (PC7 … PC0)：引脚 22 至 30。与 PORTA 相同，
PORTB是并行输入和输出端口。如果启用 JTAG 通信，电阻器将保持不变
当复位事件发生时，引脚 PC5(TDI)、PC3(TMS)、PC2(TCK) 将有效。
JTAG通信功能和一些特殊功能稍后会提到。
– PORTD (PD7 … PD0)：引脚 13 至 21。也是并行输入和输出端口
但与其他PORT一样，除此之外，它还有一些特殊功能
后面会提到。
c. Atmega16微控制器的电源电路

图 3.2：Atmega16 微控制器的电源电路
然而，在这个项目中我使用24V-1A适配器为细菌供电
Atmega16控制器
b.使用石英的微控制器的外部振荡器供电电路

图 3.3：石英微控制器的外部振荡器电源电路。

c. avr910 USB充电电路

图 3.4：AVR910 USB 充电电路
3.2.电源元件。
3.2.1.电源IC LM2576 5V和12V
LM2576是市场上非常流行的开关电源IC，能够
可以在高达 40V（传统型）或高达 57V 的输入电压下运行

（LM7526HV 型）。 LM2576系列有多种类型，具有不同的输出电压电平

彼此，例如LM2576-3.3V、LM2576-5V、LM2576-12V、LM2576-15V，还有
能够调节输出电压的是LM2576ADJ。
与线性稳压IC相比，除了输入电压范围的优势外
通常，LM2576 还能够提供更大的输出电流，高达 3A
负载电流，是许多需要大电流稳压的应用的合适选择，例如电机
直流。
其原理是基于脉冲源，不断调节输出电压，保证
确保输出电压始终保持在固定值。结构图中
LM2576 包括模块：比较器、振荡器、电容、过流…
– 结构：
+ 引脚 1 (Vin)：输入源引脚。
+ 引脚 2 (Vout)：输出电压引脚。根据 LM2576 系列，该引脚可用
稳定输出电压各不相同。
+ 引脚 3 (GND)：共源引脚。
+ 引脚 4（反馈）：引脚将反馈信号从输出发送到输入。包含在套装中

 

 

比较器调节电压稳定性。
+ 引脚 5（开/关）：打开和关闭引脚。通常留至 GND。

图 3.5：LM2576 电源 IC