基于51系列单片机的直流电机PWM调速系统设计.doc

1课程设计设计题目：基于51系列单片机的直流电机PWM调速系统设计学院：机电工程学院专业：机械工程及自动化班级：机自07级01班姓名：学号：指导老师：完成时间：2011年1月11日2目录1直流电动机调速概述.31.1直流电机调速原理.31.2直流调速系统实现方式.41.389C51单片机.42硬件电路设计.52.1PWM波形的程序实现.52.2直流电动机驱动.52.3续流电路设计.63软件设计.73.1主程序设计.73.2数码显数设计.83.3功能程序设计.83.4仿真图.113.5仿真结果分析.13心得体会.13参考文献.1431直流电动机调速概述1.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：n=U/Cc-TR内/CrCc其中：U电压；R内励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。图1-1直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。4图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为maxV，占空比为D=1t/T，则电机的平均速度为：DmaxV=V*D，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。1.2直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压dU不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持1t不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）B、调宽调频法：保持t不变，只改变1t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变1t和t。（图1-2）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。1.389C51单片机XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U4AT89C51图1-389C51单片机52硬件电路设计2.1PWM波形的程序实现随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：图2-1程序流程图2.2直流电动机驱动在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT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.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机开始正转？系统初始化反转？停止？调显示子程序发正转命令发反转命令发停止命令YYY6图2-2L298内部结构和功能引脚图L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。其内部结构和引脚功能如图2-2所示。L298引脚符号及功能SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA、ENB：使能端，输入PWM信号IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑VCC：逻辑控制电源，4.57VGND:地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转；IN1与IN2相同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。2.3续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。为保护芯片加上洗续流电路。电路的工作原理替如图3.7所示。电路的工作原理：当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。D1D2D3D4-+MM1VSY1Y2图2-3续流电路工作原理图73软件设计3.1主程序设计该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.ORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPINT0；T0中断ORG000BHLJMPITT0；T1中断ORG0030H；系统初始化START:MOVSP,#60H；赋初值堆栈指针MOVR0,#00H；给R0送值0MOVR1,#00H；给R1送值0CLRP1.5；置0CLRP1.6；置0CLRP1.7；置0MOVTMOD,#01H；写控制字控制方式MOVTL0,#0FFH；置定时常数MOVTH0,#0FFHSETBEA；允许中断SETBEX0；允许外部中断0SETBET0；允许TL0中断CLRIT0SETBTR0；启动TL0开始正转？系统初始化反转？停止？调显示子程序发正转命令发反转命令发停止命令YYY8图3-1主流程图3.2数码显数设计通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示程序代码：MOVDPTR,#TABMOV40H,#0；置0MOV41H,#0；置0LED:SETBP1.1；P1.1置1CLRP1.2；P1.2清0MOVA,40H；将40H的内容送往AMOVCA,A+DPTR；查表MOVP0,A；查表所得A值送往P0口LCALLTTS；调用延时CLRP1.1；P1.1清0SETBP1.2；P1.2置1MOVA,41H；将41H的内容送往AMOVCA,A+DPTR；查表MOVP0,A；查表所得A值送往P0口LCALLTTS；调用延时CLRP1.2；P1.2口清0LJMPLED；跳转到LEDORG2000HTAB:DB40H,79H,24H,30H,19HDB12H,02H,78H,00H,10H3.3功能程序设计结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停程序代码：ITT0:CPLP1.5；P1.5口取反JNBP1.5,Z1MOVA,#0FFH；低电平定时SUBBA,R0MOVTH0,A9SETBTR0；启动TL0RETIZ1:MOVTH