毕业设计（论文）-基于STC12C5404AD单片机的直流电机控制系统.doc

编号： 本科毕业设计（论文）题目：（中文）直流电机控制器设计 （英文）dc motor controller design分 院 理工分院 专 业 电气工程与自动化 班 级 05自动化 姓名 指导教师 职称讲师完成日期 2009-5-1 宁波大学本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文直流电机控制器设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 2009 年 5 月 1 日摘要【摘要】本论文介绍了基于stc12c5404ad单片机的直流电机控制系统。该系统的主要功能为：通过按键设定电机的转向，通过按键设定电机的工作方式,控制单片机输出pwm信号控制电机的运转，并且用数码管将电机的转向，工作模式和在手动时的转速档位显示出来，还有系统相关的保护功能。实验测试结果表明该系统调速性能好，转速设定方便快捷，显示直观清楚。本文还对相关的性能指标进行了分析。【关键词】直流电机；pwm；单片机。dc motor controller design abstract 【abstract】this article introduction based on stc12c5404ad single-chip dc motor control system.the primary function of the system is: through the key settings of the steering motor, set through the key ways of working motor, single-chip pwm output control signals to control the operation of motor, and digital display of the steering motor, the working mode and in the manual at the time of the stall speed ,and related to protection system. experimental test results description speed performance of the system, convenient speed settings, showed a clear intuitive. this article is also related to performance analysis.【keywords】dc motor;pwm;single-chip.目录1绪论11.1概述11.2相关技术简介11.2.1pwm控制.11.2.2 led显示21.3电机特性及基本调速方式21.3.1交流电动机的特性及调速方式21.3.2步进电机的特性及调速方式21.3.3直流电机的特性及调速方式31.4系统的总体设计及功能要求52硬件电路设计62.1系统总体框图62.2单片机选取62.3单片机及电源部分电路设计72.4按键输入电路设计102.5手柄调速部分电路设计102.6led显示部分电路设计112.7电机驱动与转向调节电路132.7.1h桥功率驱动原理132.7.2h桥驱动电路设计方案比较142.7.3相关元器件介绍142.7.4电机驱动与转向调节电路设计172.8相关保护电路182.9本章小结203软件设计213.1编程环境213.2主程序213.3中断服务程序233.4按键程序243.5用于自动调速的a/d转换子程序263.6显示子程序273.7pwm程序273.8本章小结284调试及实物294.1调试294.1.1硬件电路调试294.1.2调试过程中出现的问题及解决方法294.2实物295总结31参考文献32致谢33附录3441 1 绪论1.1 概述由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation，简称pwm）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。1.2 相关技术简介1.2.1 pwm控制pwm（pulse width modulation）脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的pwm控制技术。pwm控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中1。简而言之，pwm是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候即是直流供电被加到负载上去，断的时候即是供电被断开。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码1。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。pwm控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。pwm控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，pwm控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，pwm控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种pwm控制技术1。一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。本设计中这两种方法都用。1.2.2 led显示单片机驱动led数码管有很多方法，按显示方法可分为静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制led，直到下一次显示时再传送一次新的显示数据。只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码管显示器。静态显示的数据稳定，占用的cpu时间少2。动态扫描方法是用其借口电路把所有led的8个笔划字段同名端连在一起，而每一个显示器的公共极com各自独立的接受i/o线控制。动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的com端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但只要刷新频率足够大（50hz），由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。静态显示和动态显示各有利弊。静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的cpu时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多，如果显示的位数比较多，硬件的开销、电源的功耗等问题将变得更加突出；动态显示需要分时显示，需要cpu时刻对显示器件进行数据刷新，占用的cpu时间多，但使用的硬件少，可以大幅度地降低硬件成本和电源功耗，还可以节省线路板空间2。所以在一般的系统中，为了降低成本，动态显示方案就具有一定的实用性，也是目前单片机数码管显示中较为常用的一种显示方法。本设计中也是采用动态循环显示。1.3 电机特性及基本调速方式一般我们经常使用的电动机分为交流电机，步进电机和直流电机，下面我们将对这三种电机的特性及调速方式来分别介绍及比较。1.3.1 交流电动机的特性及调速方式交流电动机的特点是结构简单，价格低。其中，笼型异步电动机仅为同功率直流电动机价格的1/3 左右，而且能够适应较差的工作环境，维护工作量小，所以该类电动机得到了广泛地应用。由于交流电动机的调速性能不如直流电动机，直至近年来，交流电动机的变频调速技术获得成功后，才彻底地改变了交流电动机调速难的问题，以下为几种调速方法3。电枢串电阻调速：电枢回路串接电阻后，电动机的机械特性的斜率随电阻的改变而改变，在恒负载下使转速发生变化。该调速方式的优点是控制装置很简单；缺点是转速受负载的影响较大，在空载时几乎没有调速作用，而在重载低速运行时特性显得太软，而且功耗很大。改变电枢电压调速：当电动机采用这种方式，其机械特性随电枢电压的改变而产生平移，所以它的调速范围较广。电枢电压的调节常用晶闸管整流装置实现，但低速运行时功率因数变低，而且在交流侧出现较多的谐波成分，对电网不利。pwm 直流调整系统：其原理是将直流控制信号与三角波经调制电路产生一系列脉宽不等的脉冲信号，做功率放大后驱动大功率器件。控制调制方波的占空比，便可以改变输出平均电压。将pwm输出电压接至直流电动机的电枢两端，便可组成性能优良的调速系统。该调速系统的优点是调速范围广、效率高、响应速度快、电流脉动小及对电网污染小；但因系统较复杂，造价也相应地提高。双闭环直流调速系统：该系统的反馈量电流和转速信号，分别送入电流调节器和速度调节器。调节器按p-i（比例积分）方式实现调节。由电流调节器组成的闭环称为电流环。由速度调节器组成的闭环称为转速环，电流环用于控制电流，转速环用于控制转速。数字式直流调速系统：目前较先进的直流调速系统均采用数字控制，从积分调节器到触发装置，以及其他控制功能均由微处理器来实现。它具有调速性能高、工作可靠和体积小等特点。数控装置设有键盘和led 显示器，可方便地利用键盘进行各项运行参数的设定。此外，它还具备自诊断及完善的保护功能。1.3.2 步进电机的特性及调速方式步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制3。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr）、永磁式步进电机（pm）、混合式步进电机（hb）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩3。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角、步进电机的相数、保持转矩（holding torque）、detent torque。1.3.3 直流电机的特性及调速方式绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。n、s为对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)，两磁极 间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷a、b相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于n极下，其中通过电流的方向总是由电刷a流入的方向，而在s极下时，总是从电刷b流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理3。直流电机的调速方法有：(1)电枢串电阻调速：电枢回路串接电阻后，电动机的机械特性的斜率随电阻的改变而改变，在恒负载下使转速发生变化。该调速方式的优点是控制装置很简单；缺点是转速受负载的影响较大，在空载时几乎没有调速作用，而在重载低速运行时特性显得太软，而且功耗很大。(2)改变电枢电压调速：当电动机采用这种方式，其机械特性随电枢电压的改变而产生平移，所以它的调速范围较广。电枢电压的调节常用晶闸管整流装置实现，但低速运行时功率因数变低，而且在交流侧出现较多的谐波成分，对电网不利。(3)pwm 直流调整系统：其原理是将直流控制信号与三角波经调制电路产生一系列脉宽不等的脉冲信号，做功率放大后驱动大功率器件。控制调制方波的占空比，便可以改变输出平均电压。将pwm输出电压接至直流电动机的电枢两端，便可组成性能优良的调速系统。该调速系统的优点是调速范围广、效率高、响应速度快、电流脉动小及对电网污染小；但因系统较复杂，造价也相应地提高。(4)双闭环直流调速系统：该系统的反馈量电流和转速信号，分别送入电流调节器和速度调节器。调节器按p-i（比例积分）方式实现调节。由电流调节器组成的闭环称为电流环。由速度调节器组成的闭环称为转速环，电流环用于控制电流，转速环用于控制转速。(5)数字式直流调速系统：目前较先进的直流调速系统均采用数字控制，从积分调节器到触发装置，以及其他控制功能均由微处理器来实现。它具有调速性能高、工作可靠和体积小等特点。数控装置设有键盘和led 显示器，可方便地利用键盘进行各项运行参数的设定。此外，它还具备自诊断及完善的保护功能。改变励磁的恒功率调速：从直流电动机的机械特性的公式可看出，当磁通减小电动机的转速也随之提高3。由直流电机的电压平衡方程式：u = e+ir其中i为电机线圈电流，r为线圈电阻，e为电机的反电势， e = c*,式中，c为电机结构常数，为一常量；为线圈磁通；为电机转动角速度。于是将e代入电压平衡方程式中，可得：u = c*+ ir经过移项之后就可得出角速度和电压的关系式： = （u-ir）/ c*从上式可以看出，改变外接电压u,电机回路电阻r, 磁通，可改变电机转速。本设计所用直流电机为永磁式, 磁通不可改变,而改变电机回路电阻r来调速的方式,已不多见,所以采用改变外接电压u的调速方式。1.4 系统的总体设计及功能要求本系统由单片机核心、电机控制模块、数码管显示模块键盘输入模块和保护模块构成，stc12c5404ad单片机作为主控芯片，通过i/o端口输出pwm来控制hip4082电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。同时，在手动状态下，电机转速的档位可由第3位数码管显示出来。通过按键对直流电机的转动方向和转速等进行设定。在自动状态下，通过手柄和按键对直流电机的转动方向和转速等进行设定。本设计是要利用stc12c5404ad单片机控制pwm调速电路实现大功率直流电机的转速调节，本系统必须符合以下几点要求：(1) 能对直流电机进行调速。(2) 利用按键设置是自动控制电机转速还是手动控制电机转速，并在数码管上显示出来。(3) 在手动模式下，利用按键和led数码管设置速度，要求设置方便，快捷。(4) 在自动模式下，用调速手柄控制电机的速度，要求调速明显。(5) 电机能进行正反转控制，并在数码管上显示出来。(6) 有过流，欠压等相关的保护电路。下面，本文将从硬件和软件两方面按系统功能要求进行设计。2 硬件电路设计2.1 系统总体框图本系统由单片机核心、电机控制模块、数码管显示模块键盘输入模块和保护模块构成，stc12c5404ad单片机作为主控芯片，通过i/o端口输出pwm来控制hip4082电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。同时，在手动状态下，电机转速的档位可由第3位数码管显示出来。通过按键对直流电机的转动方向和转速等进行设定。在自动状态下，通过手柄和按键对直流电机的转动方向和转速等进行设定。总体框图如下：图2.1 系统总体框图本设计在硬件电路上共分为6个部分，单片机部分、按键输入、手柄调速、led显示、电机驱动与转向调节电路及相关保护电路。下面本文将详细介绍每一部分的功能原理以及元器件的选取。2.2 单片机选取设计选用stc12c5404ad单片机，它是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1t）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成max810专用复位电路。4路pwm，8路高速10位a/d转换，针对电机控制，强干扰场合。选用stc12c5404ad单片机的理由：加密性强，无法解密；超强抗干扰：高抗静电,轻松过4kv快速脉冲干扰，宽电压，不怕电源抖动，宽温度范围；1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低emi；超低功耗：掉电模式典型功耗8; /pca寄存器重载；scan_key(); /按键程序；display(); /显示程序；adccont(); /ad转换程序；if(+k10)flag=1;k=0; /延时50ms; 3.4 按键程序在该程序的设计中要注意按键的去抖动程序。按键本身是机械开关，由于机械触点的弹性以及电压突跳等原因，在触点闭合或者是断开的瞬间会出现电压抖动的情况。在发生抖动时单片机很难判别此时按键是否按下，为此，就需要进行按键的去抖动处理。去抖动的方法一般有两种：一种是硬件电路，另一种是采用软件的时间延时程序以躲过抖动时间，在这里采用软件方法去抖动。消抖动程序就是针对这方面