基于单片机的直流电机调速系统设计

基于单片机的直流电机调速系统设计,自动083张凤岭,指导老师：,设计的背景及意义,随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用，而直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。,总体设计,本课题是基于单片机的直流电机调速系统，利用单片机实现直流电机的正转翻转加速减速停止等功能。并用液晶显示器显示出直流电机的工作状态和转速。本课题只要分为以下几部分：电机控制模块：通过PWM波控制直流电机的转速和L298控制直流电机的转向显示部分：利用4位数码管显示转速和工作状态。控制部分：共用5个按键实现直流电机的正转翻转加速减速停止等功能。电源部分：利用7805芯片实现+5v稳定电压。测速部分：利用霍尔传感A3144实现测速功能。,总体设计方框图,AT89C51的储存空间大，而且ROM可以扩展并且其引脚数比较多，而且，它的寄存器只有一个地址区间，编程简单,直流电机转速 ：,根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式 U=Ea+Ia（Ra+Rc）式1式1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻 由此可得到直流电机的转速公式为： n=(Ua-IR)/Ce 式2式2中，Ce为电动势常数，是磁通量。由1式和2式得 n=Ea/Ce 式3 由式3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。,PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。,PWM脉宽调速,对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为右图所示的脉动电压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：U平=UD 式1.4由式3得到： n =Ea/CeUD/ Ce=KD 在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速，这就是直流电机PWM调速原理。,电机驱动模块,表3-1 L298的电机转动状态编码,续流电路的设计 由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。我们应用二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。 4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用 电流如果突变易损坏功率管即L298芯片。为保护芯片而加上续流电路，其电路原理图如图所示,转速测量方法： 该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随侧轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系： 式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。根据式(2-1)即可计算出直流电机的转速。,霍尔传感器的测速,本设计采用的是霍尔传感器A3144，它是一种宽温、开关型霍尔效应传感器。该传感器的输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。,按键输入部分 独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。,数码管显示部分本设计使用的是一种比较常用的是四位数码管，内部的4个数码管共用adp这8根数据线，为使用提供了方便，因为里面有4个数码管，所以它有4个公共端，加上adp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）,电源电路,软件部分（程序设计）控制系统程序总流程图：,中断程序流程图,按键程序流程图,数码管显示程序,Prot