基于PIC的直流电动机PWM调速控制系统设计论文.doc

基于pic18f458的直流电动机pwm调速控制系统设计摘要：当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。 本文设计是一套基于pic单片机的直流电机控制器，作为其配套的试验装置。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以pic16f458单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、测量电路、显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用pic系列芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软件设计等多方面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。关键词:直流电机，pic单片机，速度控制abstract nowadays，automatic control systems have been widely used and developed in every aspect of life. as the artery in the area of electric drive systems dc drives become more and more important in modem production. for a long time，dc motor has possessed the main role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range，besides，its control performance excellent. dc motor is widely used on the automatic equipments，such as cnc and industrial robot. as the scale of production becomes larger and larger，the demand and requirements become higher and higher ,so the research on improving the dc controlling system behavior has important sense.this design is a system of dc motor multiple speeds based on pic mcu is designed，as its necessary test equipment. it finished the total project design of system and model selection .the hard ware and software design of the system according to the preceding solutions are discussed detailed. for the hardware part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the pic mcu，the paper introduced the details of some hardware problem，including input circuit of keyboard， measure circuit，display circuit and so on .the method of software planning for it is also discussed. for the software part，with the introduction of modular design concept some procedure flow charts of main program subroutine are offered. the paper designs the software which achieves the functions，such as install parameters，download parameters，startup，stop accelerate and decelerate. this new family of pic enables cost-effective design of controllers for dc motors which can fulfill more conditions，consisting of fewer system component，lower system cost and increased performances.aiming at the characteristic of bed environment and serious disturbance，many kinds of software and hardware technology are applied to improve systematic anti-interference ability， which comprehensively improve systematic dependability and practicability.it has been proved by experiments that this system can make the high precise and multiple speed motor control come true. stepping out the performance index is realize now this system has been put into experiment.keywords dc motor ; picmcu， speeds control1 绪论1.1 引言当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用 ，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制:为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 随着微控制器尤其是脉宽调制 pwm 专门控制芯片的飞速发展, 其对电机控制方面的应用起了很重要的作用, 为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。本文对基于pic单片机的直流电机 pwm 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流 pwm调速系统的数学模型。用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。在微机控制方面，讨论了显示、pwm、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以驱动芯片与一些外围电路。通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。1.2 直流电机调速系统的发展 直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。 随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。1.3 直流电机基本调速方法 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉；但缺点是效率低，机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的范围，较小的转速变化率和调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大，占地多，效率低及维修困难。近年来，随着电力电子的迅速发展，有晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统以取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度，动态性能，可靠性有了更大的提高。电力电子技术中的igbt等大功率器件的发展取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1）式-电枢供电电压（v） -电枢电流（a） -励磁磁通（) r -电枢回路总电阻（） -电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，n为导体数。 由式1可以看出，式中三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机转速，所以直流电动机有三种调速方法：（1）改变电枢回路总电阻（2）改变电枢供电电压（3）改变励磁磁通。（4）采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法本设计采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 其方法就是相当于直流电电压降低，功率及转速降低。脉宽调制（pwm）是调整脉冲的宽度而不是频率。“脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间短了，是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比)来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制（pulse width modulation）简称pwm。即供电电压是宽度可调的脉冲电压，当脉冲最宽时，相当于直流电，功率最大，转速最高。脉冲宽度减脉冲频率并没有变。脉宽调制并不是直接调整电机的速度，而是改变电机的功率或扭矩。扭矩大了，换向加快，转速就提高了。调速原理如图1所示。通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压。改变占空比的方法有3种：（1）定宽调频法，这种方法是保持不变，只改变，这样周期（即频率）也改变；（2）调宽调频法，保持不变，而改变，这样也使周期（即频率）改变； （3）定频调宽法，这种方法是使周期（即频率）不变，而同时改变和。由于前二种方法是改变周期（或频率），当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，转速逐渐减小。只有按一定规律，改变通电时间，即可实现对转速的控制。1.4 pwm调速方案的优越性自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，pwm的h型属于调压调速，pwm的h桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式pwm变换器。与v-m系统相比在很多方面有较大的优越性：1） 主电路线路简单，需用的功率器件少。2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 3） 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:20000左右。4） 若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5） 功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。6） 直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。 由于由以上优点直流pwm系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完全取代了v-m系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。2 系统方案设计2.1 直流电机的能量转换和特性曲线直流电机将电能，(电流i和电压u)转化为机械能(速度n。和转矩m)。其中损耗可分为摩擦损耗和热损耗(热损耗是由于线圈电阻r产生)。余下的转化为机械能几，如图2.1所示。因此电机的功率守恒可表述为: 更详细的叙述为： 在这能量转化过程中，有两个特性参数是至关重要的，他们是速度常数。和转矩常数。速度常数是指速度n和线圈感应电压“树之间的关系，是指在忽略摩擦的情况下的每个单位电压下的速度变化。与速度是成正比的，公式如下:转矩常数所联系的是机械转矩m和电流i之间的关系，是指转矩和有效电流之比。公式如下:速度常数。和转矩常数有如下关系:如果用转矩m和转矩常数来表示电流，可得如下关系： 考虑到。和之间的关系，我们可将上式进一步化为: 上式便是直流电机的转速、转矩、电阻、转矩常数和速度常数之间的关系。这里转矩单位是n.m;电流单位是a;速度单位是rpm;电压单位是v。直流电机可以运行在额定范围内的任何电压下，速度一转矩曲线表述的是在一恒定电压u下电机的机械表现，该曲线可由两点法给出:空载转速n。和堵转转矩(空载转速:电机在额定电压、空载的情况下的转速;堵转转矩:它是电机在堵转条件下的转矩值，也叫起动转矩)，如图所示。空载转速与堵转转矩将随着给定电压的改变而成线性关系。它相当于速度一转矩曲线在特性曲线上平移，如图2.2所示。空载转速与电压有如下关系:速度一转矩曲线走势是由斜率来表述的，与电压无关要，它是一项体现电机性能的重参数，如下关系:直流电机的速度与转矩间的关系可用下式表示:2.2 系统总体方案根据1.3节系统功能要求和技术指标，系统总体方案设计如下图所示。 图2.3直流电机多速控制器系统结构图 系统以pic单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。单片机输出二进制控制量，经d/a转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。直流电机同轴的光电编码器e输出a、b两路方波信号送到整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节放大器的输出电压。显示部分显示各段设定的时间值、转速值和测量的转速值;单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。2.3 系统器件选型2.3.1光电数字编码器选型光电数字编码器选用maxon集团的数字mr 旋转一周计数 1024 通道数 3 最高工作频率 320hz vcc sv士5% 输出信号 ttl兼容 零位脉冲宽度(额定) e 工作温度范围 一25一85 编码盘惯量 1.7g2.3.2放大器选用的芯片 ir2111驱动电路，该电路中，采用mosfet 和igbt 专用集成驱动芯片ir2111 对irf530进行栅极驱动。ir2111内置自举工作单元，栅极驱动电压范围宽，单通道施密斯逻辑输入，输入与ttl和cmos电平兼容，高端输出与输入相同，低端输出经死区时间调整后与输入反向，可同时驱动同一桥臂上的两只功mosfet。 ir2111的悬浮自举技术是指，不管功率开关器件源极电压多少，通过自举电容和自举二极管的工作，总能保证待驱动功率器件的栅极与源极之间的电压为10-20v，即能驱动该功率器件正常工作。ir2111内置的自举工作工作单元本质上是电荷泵电路，电荷泵电路的简单自举原理介绍如下： 图4自举原理 如图所示，电容的a端通过二极管接，电容c的b端接幅值的方波。当b点点位为o时，d到通，开始对电容c充电，直到节点的电位达到（假设二极管为理想二极管）；当点电位上升至高电平时，因为电容两端电压不能突变，此时点电位上升为，所以，点电压就是一个方波，最大值是，最小值是，可见输出端电压平均值将高于，其波形就跟随输入波形的变化而变化，但始终维持一个稳定的差值，实现自举。2.4 单片机选型由单片机实现检测控制，其中一个首要的工作就是选择合适的单片机。目前国内在使用单片机作控制系统的微处理器时多选择51系列或motorola系列单片机，而本系统选用的pic系列单片机在多个方面较其它系列单片机更有优越性。下面对pic单片机作较详细介绍。2.4.lpic单片机与其他单片机的比较 当今世界上涌现出各种各样的单片机，目前应用较广的主要有美国intel公司开发和生产的mcs一51，mcs一96系列、台湾icsi公司的8051系列、美国motorola公司的mc68系列和美国microchip公司的pic系列等，其中各个系列的单片机都有其各自的优点，与其它系列相比，美国microchip公司近几年推出的系列pic单片机，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带led负载:具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护;外围配置简单、明晰、提高了整机的可靠性;并且具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力，以下分几个方面通过与其它类型单片机的比较来说明它的优越之处。(l)哈佛总线结构pic系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，pic系列单片机不仅采用了哈佛体系结构(也就是两种存储器位于不同的逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为哈佛体系结构)，而且还采用了哈佛总线结构。在pic系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，这样做的好处是，便于实现指令提取的“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指令操作;便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高cpu执行指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的(即分时复用)motorola公司开发的mc68hc05/08系列单片机，其程序存储器和数据存储器统一编址(也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为普林斯顿体系结构)，早期在国内市场上最流行的单片机产品intel开发生产的mcs一51系列单片机，其程序存储器和数据存储器虽然独立编址;但是它们与cpu之间传递信息必须共用同一条总线，仍然摆脱不了瓶颈效应的制约，于是影响到cpu运行速度的进一步提高。见图2.6。(2)指令单字节化因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序器rom和数据存储器ram的寻址空间(即地址编码空间)是互相独立的，而且存储器度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速实现全部指令的单字节化。在此所说的字节，特指pic单片机的指令字节，是常说的8位字节。例如，pic12c50x/pic16csx系列单片机的指令字节12位，pic16c6x/pic16c7x/pic16csx系列的指令字节为14位;pic18fxxx系列的字节为16位。它们的数据存储器全为8位宽。而mcs一51系列单片机的rom和宽度都是8位，指令长度从一个字节(8位)到3个字节长短不一。另外，pic微控制器的取指令和执行指令采用指令流水线结构，当一条指令被执行时允一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期内可以获得的最高效率。其指令线结构见图2.7。(3)精简指令集(risc)技术pic系列单片机的指令系统(就是该单片机所能识别的全部指令的集合，叫做指令系统或者指令集)只有35条指令。pic系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流都带来极大的便利，真可谓“易学好用”。而mcs一51单片机的指令系统共有in条指令，mc68hcos单片机的指令系统共有89条指令。(4)寻址方式简单寻址方式就是寻找操作数的方法。pic系列单片机只有4种寻址方式(即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址)，容易掌握，而mcs一51单片机则有7种寻址方式，68hc05单片机有6种寻址方式。(5)代码压缩率高ikb的存储器空间，对于pic系列单片机则能够存放的指令条数可达1024条。对于像mcs一51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而与几种典型的单片机相比，pic系列单片机是一种最节省程序存储器空间的单片机。(6)寻址空间设计简洁pic系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址(或地址编码)空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到大家的欢迎。而mc68hc05和mc68hcn单片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和1/0端口所占用的地址空间作精心安排，这样给开发人员在设计上带来很大的麻烦。(7)外接电路简洁与mcs一51系列及其它单片机相比，pic单片机内集成了上电复位电路、1/0引脚上拉电路、看门狗定时器，尤其是集成了adc模块和ccp模块(输入捕捉/输出比较/脉宽调制)，可以最大程度的减少和免用外接器件，以便实现“纯单片”化，这样，不仅便于开发，而且还可以节省电路板空间和制造成本。(8)存储器容量大pic18f458系列单片机具有多达1536字节的数据存储器(ram)，多达256的eeprom数据存储器，另外还有多达skxl4字节的可多次重复写入的闪速flash程序存储器。而mcs一51单片机只有4k字节的eeprom。128字节ram以及64k的外部数据、程序存储器空间，无flash程序存储器。(9)定时器数目多、功能全pic系列单片机具有3个定时器:带有8位预分频器的8位定时器/计数器tmr0;带有预分频器的16位定时器/计数器tmr1，并且在休眠期间外部晶振/时钟可以工作;以及带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器tmr3。而mcs一51只有两个16位的定时器/计数器。(10)独特具有的功能pic系列单片机具有两个捕获(capture)、比较(compare)、脉宽调制(pwm)模式、多通道10位a/d转换器、带有spi和izc的同步串行端口ssp、带有9位地址检测的同步异步接收发送器usart(usart/sci)、8位宽并行从属端口(psp)、有节电锁定复位的节电检测电路等;而mcs一51系列单片机没有。2.4.2 pic18f458单片机的其它优点(1)cpu的性能特点 它有16位指令，8位宽数据通道，高达2mb的程序存储器，4kb的数据存储器，高达10mips的执行速度。dc-40mhz时钟输入，4-10mhz带pll锁相环有源晶振/时钟输入；带优先级的中断和8单周期硬件乘法器。(2)外围功能模块特性捕捉/比较/脉宽调制（pwm）（ccp）模块；ccp引脚配置如下：捕捉输入:16位，最大分辨率为6.25ns；比较单元：16位，最大分辨率为100ns；脉宽调制（pwm）输出: 分辨率为1-10位；最高pwm频率：88位分辨率时为156khz，10位分辨率时为39khz。增强型ccp模块具有标准型ccp模块的所有特性，但它在先进的电机控制时还有如下特性：1，2，4路的pwm输出；可选择pwm的极性；可编程的pwm死区时间。(3)运行速度高pic18f458由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作业方式，使得pic18f458单片机运行速度大大提高，远远高于其它相同档次的单片机。(4)功耗低pic18f458单片机的功率消耗极低，是目前世界上低的单片机之一。在8mhz时钟下工作时耗电不超过ma，在睡眠模式下耗电可以低到1ma以下。(5)驱动能力强i/0端口驱动负载的能力较强，每个i/o引脚吸人和输出电流的最大值可分别达到2ma和20ma，能够直接驱动发光二极管led、光电祸合器或者微型继电器等。(6)独特的c语言开发环境对于pic18f458单片机，microchip公司提供了“c语言编译程序”，这样用c语言这样高级语言来进行程序设计，可大大的提高了工作效率。与一般的c语言版本如turbo c相比，作为单片机的开发语言，picc增加了针对pic单片机硬件本身的操作，如端口、引脚的输入输出、寄存器的位操作等。(7)产品系列齐全、拥有高性能的高端产品另外，必须说明的是，pic系列单片机品种齐全、根据其指令的位数可分为初级产品、中级产品和高级产品，在以后的开发过程中，可根据具体需要选择单片机的型号。其高级产品一16位指令字系列的pic17cxxx和pic18cxxx。16位指令字系列是8位单片机中运行速度最快的，它具备一个指令周期内完成8位二进制乘法的能力，可以在一些需要高速运算的应用场合取代dsp数字信号处理器。再加上pic17cxxx还具有丰富的i/0控制功能，并可以外接扩展eprom和ram，使它成为目前8位单片机中性能最高的品种之一，可被广泛的应用于高中档的电子设备中。而pic18cxxx系列是一款高性能、全静态设计、内带a/d转换器的cmos16位单片机，可应用于各种复杂和高性能的电子及工业控制。正因为如此本课题选用pic18f458单片机，为以后产品升级及个人能力的进一步提高都将带来便利。2.5本章小结本章分析了直流电机的能量转换和特性曲线;依据系统技术要求进行了整体方案设计;分析了系统工作原理;依据系统技术要求和方案对直流电机、放大器、光电数字编码器、pic单片机等进行了选型。3 硬件电路设计3.1 引言本系统在设计硬件电路时主要从以下原则出发:(l)硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用cpu时间。但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。(2)可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址、数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。(3)灵活的功能扩展。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。根据系统要求及上面几个硬件设计原则，系统以单片机pic18f458为中央处理单元，由键盘输入电路，lcd显示，放大器连接电路等组成。下面对主要的电路设计做详细介绍。3.2 h桥电路pwm控制电路直流电机驱动中使用最广泛的h型全桥驱动电路，如图3.23.2.1h桥工作原理当开关与闭合时，负载电流从电源由a流向b。此时负载端a点相对于b点是正电位，电机两端承受正向电压。开关与由控制逻辑来同步工作，在开关与闭合期间，控制逻辑使另一对开关与处于断开状态。反之，当开关与闭合时，开关与断开，此时，负载电流从电源u由b流向a，负载端b点相对于a点是正电位，电机两端承受反向电压。通过调节pwm信号的占空比就可以改变电机电枢两端的平均电压，从而控制电机的转速或方向。当pwm信号占空比时，电枢两端电压平均值为正，电机正向转动；当时，电枢两端电压平均值为负，电机平均值为负，电机反转；时，电机电枢电压平均值为0，电机停转，但此时电枢两端电压的顺时值并不为0，而是幅值接近电流电源电压u的方波。 与功率开关并联的二极管为快会恢复二极管，作为续流二极管使用。当、的pwm信号变为低电平后，功率管、关断而、饱和导通。电枢两端所加电压为-u，此时，电枢电流方向不能立刻改变，必须通过二极管与续流。同理，当、的pwm信号变为低电平后，电机通过二极管、续流。3.2.2 h桥器件选择本系统中，选择功率mosfet作为开关器件。功率mosfet是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点。此处，选取n沟道的功率mosfet irf530作为开关器件。和则组成放电回路，消耗电感中存储的能量。其中，要用阻值在千欧级、功率在5w的水泥电阻，阻值的具体大小要在不同的电路应用中调整确定。3.2.3工作频率选择 要使电路稳定的工作，需要合适地选择pwm的频率。如果频率选择过低，输出到电机两端电压的低频纹波较大，会对电机的平稳运行造成影响，而且低频的pwm信号会使直流电机在运行的过程中产生很大的噪声，极大影响转台操作人员的工作环境；如果频率选择过高，由于光耦、ir2111、mosfet等器件的开关特性的限制，不可能输出较为理想的方波，这会使输出的pwm波形发生畸变，无法有效的控制直流电机的运转。经过多次实践证明，此电路的pwm工作频率选择32khz为宜。此频率在超声波频段范围内，可以消除电机在工作过程中的噪音。3.3放大电路的连接电路ir2111外围电路如图所示。单片机输出的pwm信号经光耦后，输出至ir2111输入端，此处的光耦对pwm信号起到隔离、电平转换和功率放大的作用。图中，、为光耦上拉电阻，其值根据所用光耦的输入和输出地电流参数决定：为电容滤波电容，为自举二极管，、为栅极驱动电阻。图3.2 ir2111驱动功率mosfet3.4键盘输入电路本系统采用键盘，如图3.4所示。图3.4为按钮电路3.5电源电路控制系统需要一个稳定的工作电压才能可靠工作，本系统的ir2111放大器要士12v; pic单片机、数码管驱动、显示电源需要+5v;考虑到本系统的情况，采用了直接从市场上购买开关电源来满足要求，如图3.3所示。图3.5 所需电源3.6复位和时钟电路为了预防系统在突然情况下出现死机等问题，特设计复位电路进行对程序计数器的pc重新赋值并重新开始工作，根据pic18f458系列单片机的特点，采用典型的复位电路接法，不仅可以在上电时自动复位，还可以在程序运行中手动复位，手动复位只需要按下复位电路中的按键即可。如图3.6。图3.6复位和时钟电路3.7显示电路3.7.1 lcd介绍液晶显示模块（lcm）由于其具有功耗低、无电磁辐射、寿命长、价格低、接口方便等一系列显著优点，被广泛应用与各种仪表仪器、测量显示装置、计算机显示终端等方面。其中，字符液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。ts1620字符液晶显示模块以st7066和st7065为控制器，其接口信号功能和操作指令与hd44780控制器具有兼容性。字符液晶有81、162、202、402等20多种规格型号齐全的字符液晶显示模块，均具有相同的引线功能和编程指令，与单片机的接口具有通用性。下图为外观机构。3.7.2 ts1620引脚与功能ts1620的引脚与功能表下图所示。引脚好引脚符号名称功能1gnd电源地接5v电源地端2vdd电源正端接5v电源正端3vee液晶驱动电压端电压可调，一端接地，一端接可调电阻4rs寄存器选择段rs=1为数据寄存器，rs=0为指令寄存器5rw读/写选择端rw=1为读数据，rw=0为写数据6en读/写使能端写时，下降沿触发；读时，高电平有效7至14db0db78位数据线数据总线3.7.3 ts1620与pic18f单片机接口 ts1620模块与单片机的接口简单，pic18f单片机的连接图如总图所示。pic18f458的rd0-rd7端口直接与ts1620-1的db0-db7相连接，ts1620-1的控制信号rs、rw、en分别与pic18f458的re0-rd2相连接。3.8转速测量电路设计一个完善的闭环系统，其定位精度和测量精度主要由测量元件决定，因此，高精度的测量转速对测量元件的质量要求相当高。光电编码器是现代系统中必不可少的一种数字式速度测量元件，被广泛应用于微处理器控制的闭环控制系统中。3.8.1光栅盘光栅盘是在圆盘边刻有很多光栅。当光源照射到光栅部分时，没有被光栅挡住的光源就透射过去。本系统中采用了一个圆面上刻有60个均匀光栅格的光栅盘。当电机旋转一周时，会产生60个光脉冲信号。3.8.2 光电传感器 光电传感器原理是有一个发光二极管和一个由光信号控制放大的三极管组成。由发光二极管发出红外光线通过3mm宽的气隙透射到另一端的三极管上，使得该三极管导通。其特征如下：l 气隙是3mm。l 分辨率达到0.5mm。l 大电流传输比。l 暗电流为：0.25l 在=10ma时，发光二极管产生的光线的波长为940nm。安装时将光栅盘圆面钳到沟槽中，光电传感器的发光二极管发出的红外线通过3mm气隙照射到光栅盘，光通过光栅盘面上透光的光栅气隙可以使得光传感器的三极管导通，从c极会输出一个低电平，被光栅挡住的光不能透过去，使得光电传感器的c极会输出一个高电平。3.81光电传感器原理图光电传感器在硬件电路设计上很简单,如图3.8.2。在光电传感器的1引脚上接一个限流电阻r，限制流过发光二极管的电流=10ma左右。计算公式如下：其中，3.8.2光电传感器设计图3.9本章小结本章讨论了系统硬件电路设计的原则;依据系统方案设计了各功能模块电路;说明各模块电路的连接方法;着重分析了放大电路、复位、lcd电路、转速测量电路的原理。4系统软件设计4.1引言随着现代技术的发展，利用软件代替和简化硬件，利用基本的硬件电路和软件技术达到系统多功能集成和容易修改的要求。一个较为简单的硬件电路，系统功能的主要实现是依靠软件的设计来完成的。本系统的软件采用模块化设计，将系统分为若干个模块，分别实现各项功能，这样在系统软件的调试过程中，各个模块的独立调试有助于问题的发现和解决，在一定程度上节约了程序的调试时间。4.2系统应用程序设计微芯公司为pic18f458系列的集成与调试提供的工具包括:软仿真器，集成开发调试软件mplab，pic系列单片机可采用汇编语言或c语言编写源程序代码。mplab是一个完整的pic单片机集成开发环境，也是目前最优秀、最流行的pic单片机开发软件，大部分的pic系列的单片机都可以采用该软件工具进行开发。mplab包括下列功能:集成可视化编辑界面，可直接编写c、汇编等文件。集成代码生成工具，包括汇编器、连接器等等。基本调试工具，支持调试断点工具走。系统的软件设计是用pic的汇编语言在mplab集成环境下运行、调试、完成的运行。4.3直流电机转速控制器的软件设计直流电机转速控制器的软件设计和系统功能的开发和完善是一个循序渐进过程，本文所作的软件开发是基于直流电机多速控制器的基本功能要求设计的该系统软件有主程序、功能键处理程序、电机运行显示程序、键盘设置参数程序测速程序、延时子程序等。 该系统的整个软件设计全部采用模块化程序设计思想，由系统初始化模块、案件识别模块、lcd模块、高优先级和低优先级中断服务程序四大模块组成。其中，系统初始化模块、按键识别和lcd显示模块在主程序完成，而中断服务完成tmr0定时溢出中断、tmr1外部计数溢出中断、tmr3的1计数溢出中断以及int0外脉冲上边沿捕获中断等。整个软件的主程序和中断服务程序框图如图4.3至4.5。图4.3主程序框图图4.4高优先级中断服务程序框图图4.4低优先级中断服务程序框图4.3.1系统初始化模块 主程序的系统初始化模块包括对pic单片机的cpu系统时钟初始化、pic单片机的i/o方向初始化、tmr0定时/计数器的初始化、tmr3定时/计数器的初始化、ccp模块的初始化和系统相关变量的初始化过程。4.3.1.1 cpu系统始终初始化pic18单片机内部集成了经过校正的8mhz主时钟源，系统上电默认主时钟为1mhz。通常，需要对osccon寄存器进行配置，使其工作在8mhz。若为了提高cpu的运算速度，则采用pic18单片机的内部pll的4倍频以使cpu主时钟达到32mhz，只需要对osctune寄存器进行设置。本系统采用32mhz的时钟源，因此初始化的结果如下：osccon=0x70;/ircf2.0=111，选择内部8mhz的主振荡器osctune=0x40;/pllen=1，使能pll的4倍频，从而cpu内核时钟为f为32mhz4.3.1.2 pic单片机i/o口方向初始化 在总图中，rd端口的rd0.7和re端口的re0.2是与lcd模块连接，主要是从pic单片机输出数据或指令到lcd模块，因此可以将其全部设置为输出方向；另外，由于re0.2上电复位默认为模拟输入口，不是数字i/o口，因此需要对adcon1控制寄存器配置re0.2为数字i/o口。由于rb端口接有3个按键k1.3和int0外部中断信号输入，因此需要将rb端口配置成带有上拉功能的输入端口，可以启用rb内部弱上拉。p1a和p1b是