自控原理课程设计-直流电机控制系统设计

自控原理课程设计说明书直流电机控制系统设计（一）院系专业班号学号姓名指导教师沈阳航空航天大学2015年7月沈阳航空航天大学课程设计说明书摘要摘要本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWM调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。重点介绍了基于MCS51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。关键词PWM直流电机调速直流电机正反转沈阳航空航天大学课程设计说明书目录目录第1章引言111研究背景112方案设计1121系统方案1122系统构成213电路工作原理2第2章硬件电路设计421系统分析与硬件设计422单片机AT89C52423复位电路424直流电机驱动电路设计525键盘电路设计6第3章软件设计731应用软件的编制和调试732程序总体设计733仿真调试834仿真图形8结论11参考文献13附录1电路原理图14附录2程序清单15沈阳航空航天大学课程设计说明书第1章引言0第1章引言11研究背景电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。12方案设计121系统方案针对本课题的设计任务，进行分析得到本次课程设计以AT89C52单片机沈阳航空航天大学课程设计说明书第1章引言1为核心，以5个弹跳按钮作为输入端，达到控制直流电机的正转、反转、停止、加速、减速。在设计中，采用PWM技术对电机进行控制。122系统构成该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下5个部分组成输入模块，AT89C52单片机，电源模块，驱动模块，直流电机。系统原理框图如图1所示。图1系统原理框图13电路工作原理对于直流电机来说，认为机械特性方程式为NUN/KENRADRA/KEKT2NTNN（11）式中UN，N额定电枢电压、额定磁通量；KE，KT与电机有关的常数；RAD，RA电枢外加电阻、电枢内电阻；N，N理想空载转速、转速降。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。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”来改变平均电压的大AT89C52电源模块驱动模块直流电机输入模块沈阳航空航天大学课程设计说明书第1章引言2小，从而控制电动机的转速。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。当我们改变占空比时，可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。沈阳航空航天大学课程设计说明书第2章硬件电路设计3第2章硬件电路设计21系统分析与硬件设计键盘向单片机数日相应控制指令，由单片机通过P30与P31其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大，驱动电动机来控制电路，实现电动机转向和转速的控制。22单片机AT89C52采用AT89C52是MSC51系列单片机的升级版，由世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC51设计结构后，利用自身优势技术闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广了一批如51F020等高性能单片机。AT89C52片内集成256字节程序运行空间，8K字节FLASH存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在033M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低耗能模式、看门狗和断电保护。可以在4V到55V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。23复位电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块，复位电路通常分为两种上电复位和手动复位。本次设计选用手动复位，其原理图为图21所示。沈阳航空航天大学课程设计说明书第2章硬件电路设计4图21复位电路框图24直流电机驱动电路设计由于单片机P1口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298来驱动电机。L298可接受标准TTL逻辑电平信号，可接457V电压。4脚接电源电压，电压范围2546V。输出电流可达25A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机。本设计我们选用驱动一台电动机。5，7脚接P10/P11输入的电平，控制电机的正，反转及加速，加速，停止。同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机。具体驱动电路如图22所示。图22驱动电路沈阳航空航天大学课程设计说明书第2章硬件电路设计525键盘电路设计停止、正转、反转、加速、减速五个开关分别与单片机的P31,P32,P33,P34,P35相连，然后再与地相连。正转实现直流电机的正转，反转实现直流电机的反转，停止实现直流电机的停转，加速实现直流电机的加速，减速实现直流电机的减速，具体键盘电路如图23所示。图23键盘电路沈阳航空航天大学课程设计说明书第3章软件设计6第3章软件设计31应用软件的编制和调试使用KEIL软件编程时，项目开发流程和其它软件开发项目的流程较为相似。1创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置；2用C语言或会变语言创建源程序；3用项目管理器生成HEX文件；4修改源程序中的错误；5用PROTEUS进行仿真测试，连接应用。32程序总体设计利用P3口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动直流电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，达到使电机正转、反转、停止、加速、减速等目的。由软件编程从P10/P11管脚产生PWM信号，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用延时法进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。按动正转按钮后，根据P10为高电平时实现电机正转，P11为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P10/P11输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。其主程序流程如图31所示。沈阳航空航天大学课程设计说明书第3章软件设计7图31主程序流程如图33仿真调试在调试时，由于子程序有很多，有时没法将每一个子模块都运行到，自然也无法及时发现其中的疏漏。为了解决这个问题，更好地查找错误，我解决的方法是将各个模块分别进行调试。例如在调试某一模块时，先将其他模块用“/”暂时屏蔽掉，直到各个子模块都正确运行后，再整体调试，这样能够更加容易找出错误，增加效率。同时由于对元件也不是特别的熟悉通晓，需要先对每个元器件编程调试去了解这个元器件的功能。软件调试需要不断的在单片机上执行看输出的结果，如果每次都在硬件上操作比较麻烦，因此我使用了“PROTEUS”仿真软件，将仿真电路硬件搭建出来，在这个平台上调试软件，并且达到了比较好的效果。Y按键查询开始反转加速停止启动减速K5K4K3K2K1复位沈阳航空航天大学课程设计说明书第3章软件设计834仿真图形按下“正转”按钮，直流电机运行效果如图32所示。图32正转仿真图按下“加速”按钮，直流电机正向加速，运行效果如图33所示。图33加速仿真图按下“减速”按钮，直流电机正向减速，运行效果如图34所示。沈阳航空航天大学课程设计说明书第3章软件设计9图34减速仿真图按下“停止”按钮，直流电机停止运转，运行效果如图35所示。图35停止仿真图按下“反转”按钮，直流电机开始反转，运行效果如图36所示。图36反转仿真图沈阳航空航天大学课程设计说明书第3章软件设计10沈阳航空航天大学课程设计说明书结论11结论根据实验结果，本设计基本完成了设计要求，系统能够实现正转、反转、加速、减速、停止能功能。但是由于对数码管等显示模块掌握度不够，系统还不能显示出电机的实时转速。本次课设还可以进行这样的设想在电机转动的时候，利用LED点阵模块显示电机的运行状态。例如在电机进行加速时，LED点阵模块显示“加速”，电机减速时显示“减速”，停止时显示“停止”等。通过本次课程设计，我从直流电机调速系统的设计与搭建中深深的体会到软件对于一个系统来说是多么重要。软件可以说是一个系统的灵魂,在工作中指导硬件按照指定的方案运行。对于刚学汇编不久的我来说,编制一个完整的系统软件可谓无任何经验可言。在设计过程中,我们主要学习体会了单个模块的搭建与编程,例如加速程序,显示速度等级子程序等等。在这个系统搭建过程中,不但要将这些子模块有机的结合在一起,还要让它们较好的协调起来,按照我们思路运行，可以说是比较困难的。由于我缺乏经验，所以经常犯下许多低级错误。单片机编程是不能想当然的，我最容易犯的错误就是不经论证就去按照自己觉得可行的思路去进行，往往导致系统不能正常工作。例如我原来在编制电机正转与反转的子程序时，第一次思路是用P口四个引脚驱动驱动电机正反转，如P10为1，P11为0时正转，P12为1，P13为0时反转，但当连实物图的时候首先没有电机驱动模块，其次想当然直接把P口输出的电压加在电机两端驱动电机，实则P口输出的电压驱动不了电机，最后成功时是选用P10为1，P11为0时正转，P10为0，P11为1时反转在PROTEUS仿真成功等。虽然遇到了许多困难，但是在老师的帮助下，我还是完成了这次的课程设计。通过本次课程设计，我进一步了解了系统搭建的过程和系统软件编程的步骤，为今后的学习打下良好的基础。在这里我要感谢我的指导老师刘昕老师。刘老师工作很忙，但还是在我做课程设计的时间里一直关心我的进展，从设计方案的确定和修改，仿真的检查，及后来的详细设计等过程中都给了我很大的支持和关注。本次课程设计让我把理论应用到了实践，同时通过课程设计，也加深了我对专业理论知识的理解和沈阳航空航天大学课程设计说明书结论12掌握。在解决问题的过程中，我查阅了大量专业书籍，获得了许多专业知识，拓展了视野，提高了我的理论水平和实际的动手能力，并让我学会了解决问题的方法，激发了我的探索精神。这样的课程设计是很好的锻炼机会，课程设计使我深入的了解到了实践能力对于工科学生的重要性，增强了我们的实践动手能力，也为我接下来大四的毕业设计提供了宝贵的经验。沈阳航空航天大学课程设计说明书参考文献13参考文献1刘复华单片机及其应用系统M北京清华大学出版社，19922于海生微型计算机控制技术M北京清华大学出版社，19983周荷琴微型计算机原理与接口技术M合肥中国科学技术大学出版社，20004邵玉森工程控制工程M北京机械工业出版社，20005张毅刚单片机原理及应用M哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，20046王土元C高级实用程序设计M北京清华大学出版社，1994沈阳航空航天大学课程设计说明书附录114附录1电路原理图沈阳航空航天大学课程设计说明书附录2程序清单15附录2程序清单INCLUDESBITPWM1P10SBITPWM2P11/定义P10，P11口输出电平，控制直流电机正反转/SBITK1P31/控制电机停止键/SBITK2P32/控制电机正转键/SBITK3P33/控制电机反转键/SBITK4P34/控制电机加速键/SBITK5P35/控制电机减速键/VOIDDIGDISPLAY/动态显示函数VOIDSPEEDUNSIGNEDINTK/电机转速方向显示函数，0反向，1正向INTI/控制脉冲变量/定义使用的IO口/DEFINEGPIO_DIGP0/段选SBITGPIO_PLACEP14/位选/定义全局变量/UNSIGNEDCHARCODEDIG_PLACE80XFE,0XFD,0XFB,0XF7,0XEF,0XDF,0XBF,0X7F/位选控制UNSIGNEDCHARCODEDIG_CODE170X40,0X79,0XFF/0、1和全灭的显示码UNSIGNEDCHARDISPLAYDATA3/用来存放要显示的3位数的值VOIDLEVELUNSIGNEDINTV/速度等级显示函数IFV0P20X00沈阳航空航天大学课程设计说明书附录2程序清单16IFV1P20X06IFV2P20X5BIFV3P20X4FVOIDSPEEDUNSIGNEDINTKIFK0DISPLAYDATA0DIG_CODE0DIGDISPLAYIFK1DISPLAYDATA