毕业设计（论文）-基于单片机的直流电机控制设计.docx

闽南师范大学毕业论文（设计）基于单片机的直流电机控制设计Design of DC Motor Control System Based on Microcontroller姓 名： 学 号： 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2016年 12 月 25 日闽 南 师 范 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权闽南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要本文利用PWM斩波技术对直流电机的转速进行控制，控制芯片采用AT89S52单片机，描述了直流电机的调速原理和PWM脉冲宽度调制的方法。此外，设计了IR2104的自举驱动电路。文中也一并对IR2104的工作原理进行了介绍与应用分析。在理论分析的基础上对电路的硬件部分进行了设计，包括单片机最小系统、驱动模块、按键模块、测速模块、显示模块。最后对系统进行了实验研究，给出了实验波形和实际运行情况图，实验结果较为理想，证明本文所设计的调速方法和驱动电路满足直流电机调速系统的要求。关键词：AT89S52单片机；PWM；IR2104；H桥全套图纸加扣 3012250582AbstractIn this paper, PWM chopper technology control the DC motor speed and control chip by AT89S52 microcontroller. The speed regulation principle and PWM pulse width modulation method of DC motor are described. In addition, the bootstrap drive circuit of IR2104 is designed. In this paper, the working principle of IR2104 is introduced and analyzed.On the basis of theoretical analysis, the hardware of the circuit is designed, including MCU system, drive module, key module, speed measurement module and display module.At last, the experimental study of the system is given, the experimental waveform and the actual operation diagram are given, the experimental results are ideal, proves that the speed control method and drive circuit designed in this paper meet the requirements of DC motor speed control system.Keywords：AT89S52 microcomputer; PWM; IR2104; H bridge目录中英文摘要I1 引言11.1 选题背景及实际意义11.2 选题的研究现状11.3 本文研究的内容12 直流电机结构与调速原理32.1 直流电机的基本结构32.2 直流电机调速方法32.3 PWM调速原理43 调速系统硬件设计53.1 系统硬件总体设计53.2 AT89S52单片机芯片简介53.3 供电电源设计53.3.1 控制电路电源53.3.2 驱动电路电源63.4 单片机外围电路设计63.4.1 时钟电路63.4.2 复位电路63.4.3 ISP下载调试接口73.5 H桥电路设计分析73.6 逻辑电路及驱动电路设计83.6.1 逻辑电路设计83.6.2 光耦隔离设计93.6.3 驱动电路设计103.7 测速模块123.8 按键和显示电路设计123.8.1 按键电路设计123.8.2 显示电路设计134 调速系统程序软件设计144.1 主程序设计144.2 初始化子程序144.3 按键与显示子程序设计154.3.1 显示子程序154.3.2 按键处理程序164.4 PWM脉宽调节程序设计174.4.1 阶跃PWM脉宽调节174.4.2 谐波PWM脉宽调节184.5 测转速脉冲程序设计195 实验研究205.1 硬件电路实物205.2 波形测试215.3 测速及显示236 总结256.1 工作总结256.2 不足和展望25参考文献26致谢27附录28附录一：器件清单28附录二：原理图29附录三：PCB图30-30-1 引言1.1 选题背景及实际意义当今社会快速发展，直流电机被广泛应用到各种控制系统中1。小到生活用品，大至工业制造、航天航空等不同的领域。随着单片机控制技术的应用发展，直流电机调速系统开始往数字化、高速化发展，调速系统的要求伴随着自动控制技术的发展也越来越高2。直流电机调速简单方便是因为只要调节电机两端的电压就可以。在电机调速的方法中，PWM调速是最常见的，只要调节PWM占空比就能够改变电机的转速。直流电机在许多控制领域中应用非常广泛，因为电机具有良好的起动性能3。早期的直流电机拖动调速系统多采用的模拟电路，控制系统较为复杂，而且操作相对不方便和功能单一，使直流电机不能得到很好的发展4。不过随着单片机技术和电力电子领域的快速发展，现代调速系统得到了非常大的提升，所以研究直流电机调速还是很有研究意义的。1.2 选题的研究现状下面列几个常见的直流电机调速方案。第一种方法：早期的电机调速方法是通过调节电机串联的电阻大小来调速的，这个方法虽然简单且可以进行调速，但是调速非常不平滑，跳跃性太大。第二种方法：发电机电动机调速，这种方法调速性能相较调电阻的方法好，但是所使用的电力拖动系统较大，而且组成复杂，操作不便利。第三种方法：用晶闸管组成的调速系统。这种调速方法精度高、体积小，是未来很长时间内的主要应用方向5。随着电力电子技术和微型计算机的快速发展，电机调速系统的发展越来越趋向高精度和低成本的方向发展。我国的直流电机调速技术发展较国外发展较慢，特别是西门子、通用电气等大公司更是取得了非常大的优势地位。在直流电机调速领域，我国发展较晚，但是这并不影响我们后来居上，现在我国的调速技术也有了质的飞跃。我国在直流电机调速领域也投入了大量的精力，例如，一些研究所、高校和企业都有在研究这个领域，也取得了不错的成果。1.3 本文研究的内容本设计的控制对象是直流电机，以AT89S52单片机为主控芯片，驱动电路采用半桥驱动芯片IR2104搭建的自举电路，控制方法采用PWM脉宽调制，利用U型光电传感器测速6，实现了直流电机的调速、测速以及显示，具体研究内容如下：（1）对直流电机的结构和调速原理进行分析。（2）通过对NMOS管组成的H桥电路原理的分析，深入研究IR2104自举驱动电路的工作原理。（3）研究U型光电测速传感器的测脉冲原理，实现直流电机测速以及转速的实时刷新显示。（4）在了解PWM脉宽调速原理的基础上，设计直流电机调速系统的硬件电路和软件程序。（5）在以上工作的基础上对系统进行了实验，记录实验结果并分析。2 直流电机结构与调速原理2.1 直流电机的基本结构图2-1 直流电机的基本结构图直流电机是一种将机械能转化为电能的设备。直流电机运行时，定子是静止不动的，转子相对定子运动。下面简略介绍几个部分：（1）主磁极的作用是产生建立磁场，主要由主磁极铁心和励磁绕组组成7。（2）换向极可以有效减少电机运行时产生的有害火花。（3）电枢绕组是直流电机的电路部分，产生磁场和电动势就是在这里，也是电能转换的部分8。（4）换向器起整流的作用。2.2 直流电机调速方法众所周知，直流电机转速n的表达式为: (2-1)式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:（1）调压，调节电枢绕组电压调速，可以用于范围较大的平滑调速；（2）弱磁，调速范围较小；（3）变阻，只能有级调速，平滑性差。这三种方法里面，变阻的方式效果最差，很少采用。弱磁调速范围不大。因此，本设计采用调压的方式。改变电枢电压的方式主要有3种：旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器9。其中，脉宽调制通过改变开关频率，使占空比发生变化，电枢绕组的平均电压也就相应的改变，就达到了调节转速的目的。这也是本设计所使用的方法。2.3 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制半导体器件的开关通断状态，如果开关通时，电压为高电平，开关关时，电压为低电平。通过控制电子器件开关的通断来可以改变PWM的脉冲宽度，也就改变了直流电压的平均值，这就是PWM调速的主要原理10。也正是因为这样，PWM也有“开关驱动装置”的叫法。PWM脉冲信号占空比关系如图2-2。占空比Duty=t1/T，假设电机最大转速为VM，则电机的平均转速VD=Duty*VM。由上面的公式可见，当我们改变占空比Duty的大小时，电机平均转速VD也会随之改变，也就实现了调速的目的。如果从实际情况来看，VD和占空比并不是完全线性的关系，但是在精度要求不是很高的情况下，也不失为一种好方法。图2-2 PWM占空比关系3 调速系统硬件设计3.1 系统硬件总体设计图3-1 调速系统硬件总框图本设计以AT89S52单片机为主控芯片，PWM信号由单片机定时器产生，经过逻辑变换电路分成2路完全对称的PWM，再通过光耦隔离将信号传递至驱动芯片IR2104，利用驱动电路控制H桥，从而实现对电机转速和转向的控制。电机调速系统的相关功能通过独立按键来实现。最后利用U型光电传感器测得转速脉冲，将脉冲信号送至单片机进行处理，把转速显示在LCD1602上面。3.2 AT89S52单片机芯片简介AT89S52是ATMEL公司所生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH11。3.3 供电电源设计为了保证单片机的稳定运行，本设计使用了光耦隔离电路，所以控制部分和驱动部分的电源是各自独立的。详细介绍如下：3.3.1 控制电路电源调速系统的控制核心是单片机，其工作电压是+5V，为了使单片机能正常工作，保证电源稳定是很重要的。除了单片机，逻辑电路所使用的74HC00芯片和LCD1602液晶显示也是使用的+5V电源，+5V电源采用三端稳压管LM7805经过+9V电源稳压提供12。LM7805三端稳压管采用TO-220A封装，最大输出电流1A，满足系统要求。电源模块原理图如图3-2所示：图3-2 +5V供电电源原理图3.3.2 驱动电路电源本设计采用的是+12V驱动电源和电机供电电源POWER分开供电的方式。原因如下：（1）若使用同一路电源供电，当电源的容量较低时，电源电压可能因为电机起动时大电流造成电压降落，容易造成驱动芯片IR2104供电电源不稳，甚至烧毁芯片。（2）电源分开供电，可以解放POWER电源的范围。通过查找数据手册资料，了解到由于IR2104芯片的工作电压为10-20V，而光耦6N135的最高工作电压为15V，光耦TLP521-1的最高工作电压为24V，因此这里取12V电压为它们供电。如果不是分开供电，而是使用LM7812稳压得到12V电压，那么POWER至少要16V以上。如果分开供电，POWER电源可以是0以上的任意值（当然还要考虑输入电容和MOSFET的耐压值）。3.4 单片机外围电路设计3.4.1 时钟电路图3-3 时钟电路原理图单片机内部带有时钟电路，构成稳定的自激振荡器需要在片外XT1和XT2引脚跨接晶振和电容13。单片机的时钟电路如图3-3所示：用晶振和电容构成谐振电路。C1和C2选择范围通常为1030pF。本设计采用12M的晶振，33pF的瓷片电容，起振状况良好。3.4.2 复位电路图3-4 复位电路原理图复位电路是单片机最小系统的一个重要组成部分，主要功能是使单片机恢复到初始状态，也就是让PC或者一些寄存器恢复到0000H或一些特定的状态。如果没有复位电路，当程序运行出错时，无法解决单片机内部的锁死状态，也就无法使单片机重新开始工作，这是一个稳定的调速系统所不允许的。本设计使用的单片机内部没有复位电路，所以需要外接复位电路，本设计采用按键电平复位电路，当时钟频率选用6MHz时，E取10uF，R1取为10K。其原理图如图3-4所示，部分复位状态如表3-1所示：表3-1 特殊功能寄存器和复位状态寄存器复位时寄存器复位时ACC00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0P3FFHTH100H3.4.3 ISP下载调试接口本设计在单片机外围加入了图3-5 ISP下载口原理图ISP下载口，主要是为了方便程序的烧写和调试。而且这样就不用经常拔插单片机，单片机也就不容易损坏。图中的P15、P16、P17、RST口对应单片机的相应IO口，电源和单片机使用的同一套电源。下载口接线原理图如图3-5所示：3.5 H桥电路设计分析本设计所使用的直流电机只要调整电机两端电压的极性，就能控制电机的正反转。图3-6是H桥驱动等效原理图。从图中可以看到，H桥有4个开关，当K1和K4导通时，M1左端电压高于右端，电流从M1左端流向右端，定义此方向为正转。反之，K2、K3打开，那就是反转。这便是利用H桥控制正反转的原理14。图3-6 H桥驱动等效原理图可以作为H桥开关的电力电子器件有许多，常见的有晶闸管，三极管和MOS管。晶闸管虽然可以应用在大电压、大电流的场合，但是开关频率上限不高。三极管属于电流型器件，无论是耐压还是能通过的电流能力，都比较弱，主要应用在弱点方面，对于较大电压和电流的设备难以驱动。MOS管作为新型电力电子器件，是电压控制的器件，能量的损失仅是MOS管开通和关闭时寄生电容充放电的损失，作为新型的全控型器件，MOS管开关频率高，耐压高，特别是N沟道的MOS管，导通电阻非常小。综合考虑，本设计使用4个NMOS管来搭建H桥，MOS管选用N沟道的IRF540。NMOS组成的H桥模型如图3-7所示：图3-7 NMOS管构成的H桥模型结合图3-6来分析讨论H的驱动问题。用N沟道MOS管搭建的H桥存在一个很明显的问题，那就是上管和下管之间的A点电位是悬浮，不确定电位会导致上管不能正常开通，也就无法实现电机的运行。当N1和N2开通时，A点电位是无法确定，也就不能保证N1的栅源电压差保持在10-20V之间，会使上管开通失败。为了解决这个，可以使用自举电路来解决，让上管栅源电压差保持在10-20V之间，使电机正转时可以保证上管的饱和导通。现在有许多集成的半桥驱动芯片，可以很方便的用来驱动同一桥臂的MOS开关管，不仅解决了单片机驱动能力不足的问题，也解决了浮地的问题，而且使用非常方便，只需要在驱动芯片的外围搭建自举电路，仅只要一路电源就可以方便的驱动H桥。综合多方面的考虑，本设计最终选择了IR2104来搭建H桥的自举电路。3.6 逻辑电路及驱动电路设计3.6.1 逻辑电路设计本设计的PWM信号是由单片机的T2定时器产生的，为了保证控制两个桥臂的PWM信号可以对称，所以本设计使用了逻辑与非门芯片74HC00将一路PWM信号分成2路，为了使信号前后同相，又将与非门搭成非门，将信号反向。本设计通过与非门加入了两个控制信号，LSD和RSD，原理图如图3-8所示：图3-8 逻辑电路原理图逻辑信号与电机状态关系如表3-2所示：表3-2 逻辑信号与电机状态关系表PWMSDLSDRSD电机状态1100停止1110正转1101反转3.6.2 光耦隔离设计本设计为了达到在电机运行时单片机不受干扰，加入了光耦隔离电路。光耦仅起到隔离和传递信号的作用，没有驱动能力。由上面的逻辑关系可以知道，单片机的控制信号有L和R两个信号，由于IR2104还有使能端SD，所以总共有3个控制信号需要传递到驱动芯片。也就是需要用到3个光耦。因为控制电机的开关管开关频率一般较高，所以这里选择2个高速光耦和一个普通光耦，高速光耦采用的是6N135，普通光耦采用的是TPL521-1。本设计所使用的2种光耦的输入端压降莫约1.8V上下，正常工作电流为810mA,本系统所使用的单片机芯片工作电压是5V，IO口输出高电平时也是5V，经过计算，限流电阻取300左右。为了使光耦输出高电平时能保证12V的电平 ，本设计在光耦输出加入了10K的上拉电阻，实际使用时上拉效果显著，电平能达到11.6V左右，满足本设计的需求。原理图如图3-9所示：图3-9 光耦隔离原理图由于两个高速光耦是完全对称的，所以只列出了一个光耦原理图，另外一个同理。3.6.3 驱动电路设计由于单片机输出的PWM波形不能直接驱动大功率MOS管，所以要在单片机和MOS管之间建立驱动电路，来驱动MOS管。逻辑电路与隔离电路在上面已经详细介绍，所以这里就直接跳过，直接介绍光耦输出信号到驱动电路的信号INL、INR和SD。（1）功率驱动芯片IR2104介绍图3-10 IR2104引脚图在本系统，芯片采用的是IR公司专门为驱动MOS管设计的半桥芯片，驱动能力强，驱动信号延时短，开关频率高。其主要特点是集成度高，所需外部电路少，工作电压最大600V，电流130/270mA，栅压范围10V20V，开关时间680/150ns（典型值），死区时间520ns（典型值）；具有欠压锁定功能；单电源工作，高压侧和低压侧只需要一路1020V电源。其芯片引脚图如图3-10所示。想要正确使用IR2104芯片去驱动MOS管，最主要的是要看懂工作时序图，其时序图如图3-11所示。图3-11 IR2104工作时序图根据时序图，可以发现输入口除了IN口外，还有一个SD使能信号端，当SD=0时，封锁输出。当SD=1时，正常工作。可以看出来，HO输出信号与输入信号IN是同相的，而LO输出信号与HO是互补的。这样只要一路PWM信号，就可以很方便的控制同一桥臂的MOS管。图3-12 IR2104死区延时图2个IR2104芯片就可以控制4个NMOS管组成的H桥，左右桥臂分别使用一个芯片。通过控制使能端SD，和两个芯片的IN端口信号，便能控制MOS管的通断，从而实现直流电机的调速和转向。由于IR2104自带硬件死区，死区时间是520ns（典型值），所以不用担心直臂导通的问题。IR2104的硬件死区延时时间如图3-12所示。（2）驱动电路设计本驱动电路设计的核心就是设计好自举电路，左侧桥臂的自举电路如图3-13所示，两侧对称电路见附录。图3-13 左桥臂自举电路原理图IR2104的工作电压取12V。D10是自举二极管，E10和C11是自举电容，R10、R11是栅极电阻，D11、D12是快速放电二极管，D13、D14是18V稳压管，防止MOS管因为太高的浪涌电压而击穿。当INL=0时，HO=0，LO=1；下管N2饱和导通，12V电源电压通过D10、E10、N2对E10进行充电。当INL=1时，下管关闭，上管导通。导通瞬间栅源电压差大约等于12V，满足N1管饱和导通的电压条件，当N1导通后，N1的S极电压等于电机的供电电压，由于电容不会突变，所以VB端的电压也会被抬升，VB=VS+12V。只要高端自举电容的电压在下管导通，上管关闭的时间内能够快速充电，达到12V的电压，循环往复，这样就能一直满足VGS=12V，也就能够使N1管在下管关闭时也能保持饱和导通。为了使自举电容两端电压能够满足开关管饱和导通所需的条件，要么给自举回路提供快速充电的通道，所以要么选择小容量的电容，以提高充电电压。当然，电容的选择与开关频率和占空比也是有关系的。当PWM频率较低时，N2导通脉宽较宽，自举电压容易满足条件；反之无法自举。并且PWM的占空比不能达到100%，否则无法给自举电容充电，也就无法实现自举15。通过实验和查阅资料，自举电容和自举二极管的选择应该考虑以下几点：a、自举电容的选择最好是选择漏电流较小的钽电容。b、当PWM占空比较高时，充电时间短，电容要选择小一点的。c、选择自举二极管时，要考虑二极管的耐压，防止N1导通时，电机侧的高压串入IR2104的VCC端，烧毁芯片。二极管的恢复时间也非常重要，这能减小能量的损耗。这里选择的是快速恢复二极管UF4007。在MOS管关闭之前，其栅极电压必须足够高，才能保证MOS饱和导通。d、在MOS管的栅极和驱动之间串接一个电阻，就是图3-14的R10和R11。这个叫做“栅极电阻”，其作用是调节开关管的开关频率，对开关管内部电容的充放电起限流作用，防止电流过大损坏MOS管内部的寄生电容。为了使MOS管能够快速关断，本设计在“栅极电阻”上反并联了一个二极管，如图3-14的D11、D12。当MOS管关断时，二极管IN4148导通，将栅极电阻短路从而减少放电时间，使MOS管快速放电，更加了保证了上下桥臂不会同时导通。此外在电机电源处加了一个去耦电容E3，保证电源稳定。3.7 测速模块图3-14 测速模块本设计测速采用的是U型光电测速传感器模块，如图3-14所示。此模块工作电压是3.3V-5V，比较器输出波形，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。输出形式是开关量0和1。实际使用的方法是制作一个圆形码盘，在上面剪一个缺口，然后固定在电机轴上，当电机旋转式，就会测到一系列脉冲，通过脉冲就可以计算转速16。模块的使用说明如下：（1）U型凹槽中无遮挡时，接收二极管导通，端口D0输出低电平，U型凹槽中有遮挡时，D0口输出高电平。（2）D0输出接口可以与单片机IO口直接相连，本设计是接到外部中断1端口处，可以测得转速脉冲。（3）VCC接电源，GND接地，A0不接。3.8 按键和显示电路设计在控制系统中，通过显示输出，能实时知道系统的工作状态，通过人工输入，可以随时调整系统所需的参数。所以本系统加入了按键输入和转速显示环节。3.8.1 按键电路设计电机的起动、停止、正反转、阶跃给定调速和谐波给定调速都是通过独立按键控制，采用扫描按键处理方式。9个按键分别接到单片机的IO口，当某个按键按下时，就会产生相应的按键程序。按键电路原理图如图3-15所示：图3-15 按键电路原理图3.8.2 显示电路设计图3-16 LCD1602连接原理图本设计使用的是LCD1602液晶显示，其功能简单，使用方便。显示的内容为，即可以显示两行，每行16个字符显示，因为本系统只需要显示转速和占空比，所以2行显示的已经足够使用了。而且，LCD1602内部有一些常用的字符，可以方便本设计的使用11。本设计的LCD1602原理图如图3-16所示。各端口与单片机IO口相连。具体引脚功能说明如表3-3所示：表3-3 LCD1602引脚说明编号引脚说明编号引脚说明VSS电源地E使能信号VDD电源DB0DB7数据总线Vo偏压信号A背光5VRS寄存器选择K背光地R/W读写操作选择单片机的P2.5与RS相连，P2.6与R/W相连，P2.7与E相连。当使能端使能时，再通过命令选择端来控制写命令、写数据。控制口P0与LCD1602的数据端口相连，传输数据。通过按键调整PWM占空比大小，并将其显示在LCD1602上，转速通过外部中断测脉冲，在单片机里面处理后将转速也显示在LCD1602上。4 调速系统程序软件设计控制系统如果仅有硬件，是完全不够的，还需要有软件的控制才能是一个完整的控制系统。软件可以说是一个系统的灵魂，如果软件设计处理不好，硬件做得再好也是无用武之地。本系统设计软件采用顺序结构。主要包括初始化、按键、PWM脉宽调节、测速、以及显示模块。4.1 主程序设计本程序的功能是通过调用各个子程序，使程序循环运行，以达到控制电机启停、调速、正反转、测速、显示的功能。本系统的各个功能模块都是通过调用子程序和中断函数来实现的。其主程序流程图如图4-1所示：图4-1 主程序流程图4.2 初始化子程序初始化是一个系统正常运行所不可或缺的。本系统的PWM波形是由定时器T2产生的，T1控制谐波的间隔17，外部中断1和T0用来测转速脉冲和1S定时脉冲间隔，以便计算出转速，可见，要使这些定时器都能够正常工作，各个定时器是必须要进行初始化的。LCD1602也需要初始化，这是显示器正常工作的前提。当然，还有各个端口、参数也是必须初始化的，不然影响系统正常工作。初始化流程图如图4-2所示：图4-2 初始化流程图4.3 按键与显示子程序设计4.3.1 显示子程序显示子程序分为两个部分，分别为转速显示和占空比显示，其中转速显示是动态的，占空比是静态的。（1）动态转速显示。当电机开始运行时，开启外部中断1，通过U型光电传感器测得转速脉冲Z，将Z送入单片机内部，进行转速的计算并将其显示出来。本设计自制的码盘是在圆盘上用剪刀剪一个切口，所以电机旋转一周就是一个脉冲。由于我们习惯将T用秒为单位，实际使用也是以1S为一个周期测量电机转速脉冲并进行转速计算的，而转速是的单位是rad/min，所以实际转速为N=60*1/T。其中1秒的定时是使用的T1定时器，定时器50ms中断一次，当中断次数count1=20时，也就是1S时间到了，便将这1S内测得转速脉冲Z进行计算，得出转速，其流程图如图4-3左半部分所示。（2）静态占空比显示。为了可以精确的知道我们调节转速时对应的占空比是多少，设置占空比显示是很有必要的。因为占空比是一个静态的值，并不需要随系统实时改变，所以在扫描按键时就可以将占空比确定下来，本系统将PWM分成了50份，调节占空比大小的中间比较值是pluse。为了使占空比可以显示在1-100%的范围，本设计将PWM份数、pluse值各乘以2，每次调节间隔是2%的占空比。其流程图如图4-3右半部分所示：图4-3 显示子程序流程图4.3.2 按键处理程序根据硬件电路的设计，本系统控制主要有正转（带启动）、反转（带启动）、加速、减速、停止5个控制按键。由于阶跃给定PWM信号给定时，电机起动的时候电流相对较大，对系统冲击较大，尤其是换向时尤为明显，对于一些不需要快速起动和快速正反转的系统来说这种情况会影响系统工作的稳定18。所以本设计系统另外设置了4个谐波给定的按键，PWM设定值为A，时间间隔由定时器T0中断产生，通过比较实时T2产生的PWM占空比设定值pluse与A的大小关系，自动调节占空比数值，让其逼近设定值A。流程图如图4-4所示：图4-4 按键子程序流程图4.4 PWM脉宽调节程序设计4.4.1 阶跃PWM脉宽调节本设计的PWM信号是由单片机产生的，由于T2带有16位重装载功能，定时较为精准，所以本设计选用T2定时器产生PWM。本设计用到的PWM调速方法是定频调宽法，也就是说频率是固定的，但是占空比是可以调整的，也就是通过调节PWM的高电平持续时间来改变占空比的大小。其流程图如图4-5所示。具体实现方法如下：（1）设定一个中断计数变量time和脉宽调节变量pluse。time和pluse变量值范围0-50，初始状态time=0，pluse=10。然后对单片机T2定时器进行设置，RCAP2H=0xff，RCAP2L=0x0e7，即定时25us中断一次，中断满50次时初始化time值，所以周期时间固定为1250us，也就是频率为800Hz。每中断一次，time自加1。（2）第一个周期保持低电平，给下管充电，防止了电机不正常启动。第一个周期结束时令time=0，PWM=1。后面对time和pluse进行比较（假定此时独立按键都没有操作，pluse值保持不变），当time小于pluse时，PWM引脚输出高电平脉冲波形信号；当time=pluse时，PWM引脚输出低电平。如此循环往复，就形成了可调的PWM信号。（3）最后可以通过控制独立按键来调节pluse值的大小，或加或减，也就能相应调节电机的转速了。图4-5 阶跃调速子程序流程图4.4.2 谐波PWM脉宽调节设置谐波PWM调速的原因在4.3.2节已经解释过，所以这里不再单独说明。主要说说谐波控制的原理与方法。谐波调速的调速过程有点类似与变频器的调速，是一种匀速加或匀速减的过程。这里通过设置一个给定值A，让PWM占空比设定值pluse与A进行比较，如果pluse小于A，则在T0定时中断延时下匀速让pluse自加1，反之自减1。最终让pluse逼近给定值A。关于谐波给定下的反转，为了让电机能够匀速减速到占空比为0，然后电机转向，再匀速逼近给定占空比，本系统所设计的方法如下：将反转按键的A值设置为负数，这样A恒小于pluse，一开始就会使pluse匀速自减1。当pluse减到0时，也就是占空比为0时，将电机转向逻辑控制位LSD、RSD和A值取反。这样不仅电机转向了，由于A取反了，变为正值，此时A大于pluse,也导致了pluse又开始匀速自加1到给给定值A。这样电机就实现了转向，且不会有很大的冲击电流和起动电流。流程图如图4-6所示：图4-6 谐波PWM调速流程图Keil uVision4程序调试界面如图4-7所示：图4-7 Keil 4调试界面图4.5 测转速脉冲程序设计为了测得电机的实时转速，本系统设计了电机的测速模块与程序。转速测量有M法、T法、M/T法。因为本设计使用的是单片机的定时器T1和外部中断1测速的，综合实际情况考虑，选择用M法测速19。M法测速的工作原理其实很简单，就是在一个固定的时间T内测出U型测速传感器的测速脉冲，用测到的脉冲数来计算平均转速，这里使用的是单片机的外部中断1测得的脉冲。其流程图如图4-8所示：图4-8 测转速脉冲子程序流程图5 实验研究本系统设计的是直流电机调速系统，调速方法采用了现在最普遍的PWM斩波技术，可以实现直流电机较大范围的平滑调速20。随着电子集成芯片技术的快速发展，如今有许多电机专用的集成驱动芯片，如LN298N虽然使用简单、方便，但是驱动电流较小，而且驱动电机时电压在三极管上降落很多21，导致电机的工作状态不理想。为了解决这个问题，本文设计了独立的H桥电路，开关管选择的NMOS管IRF540，因为MOS管饱和导通时的导通电阻非常小，一般是毫欧级别的，而且MOS管能通过的电流较大，相对L298N来说，优势是很明显的。因此，可以用4个NMOS管搭成的H桥驱动较大功率的电机，而且电压损失小。根据单片机的数据手册，可以得知其驱动能力是非常弱的，很明显，单片机IO口是无法直接驱动MOS管的，所以在单片机与H桥之间必须加入一个功率放大的驱动电路。现在常用的半桥驱动芯片有IR2110和IR2130。IR2110的驱动能力满足本设计的要求，但是本设计所使用AT89S52单片机内部不带有生成互补带死区PWM信号的功能，如果再设计一个RC延时电路来产生死区，不仅调试难度大，而且死区不稳定，信号容易产生漂移22，所以不采用这个方案；IR2130内部自带2us左右的死区延时时间23，虽然也满足本系统的要求，但是其有6路输出，可以用来驱动6个MOS管，用于三相电机驱动是不错的选择，但是本设计的H桥电路只需要控制4个MOS管，选择IR2130就显得大材小用了，所以也不予考虑。通过查找IR系列半桥驱动芯片的数据手册和相关论文、期刊，本设计最终选择了IR2104驱动芯片，其不仅可以通过一路输入，输出两路互补的PWM信号，而且内部自带了520ns（典型值）的死区延时，完全符合本设计的要求，所以最终选定了IR2104驱动芯片。选对了工具，也需要配合正确的硬件电路，才能是整体功能正常实现。用IR2104搭成的自举驱动电路，核心是自举二极管以及自举电容的选择，关于如何选择，正文已经有介绍，这里便不再述说了。5.1 硬件电路实物图5-1是本设计的完整实物图。可以看出，本设计将驱动部分和控制部分分成了两个部分，结构清晰，灵活性强。本设计所使用的直流电机工作电压是1236V，空载电流0.5A左右。左边的电路是驱动电路，右边是控制电路，可以很明显的看到4个散热片，那便是搭建H桥电路所使用的4个NMOS管。图5-1 硬件实物图5.2 波形测试本系统的控制核心是使单片机产生一路PWM信号和2路控制信号，经过逻辑驱动芯片74HC00后使控制信号清晰，简单，最后74HC00只输出两路控制信号L和R，这两个信号经过光耦隔离之后，L信号控制左侧桥臂MOS管，R信号控制右侧桥臂MOS管。驱动芯片的使能信号SD单独从单片机IO口引出。控制信号和电机运行状态关系如表5-1所示：表5-1 控制信号与电机状态关系PWMSDLSDRSDLR电机状态1110PWM0正转11010PWM反转XX0000停止X0XX00停止0XXX00停止（1）为方便测试驱动芯片的输入信号波形和逻辑关系是否正确，以及便于实验的调试，我在输入端添加了测试点。通过示波器，观察测量了L和R的波形图，发现两路信号的逻辑关系与表5-1所预想的结果是一致的。在逻辑关系正确的基础上，通过本系统所设计的按键模块，实现了PWM信号占空比的可调，其实验结果如图5-2和5-3所示：（其中L接CH1、R接CH2）图5-2 正转时IR2104输入端信号波形关系图5-3 反转时IR2104输入端信号波形关系（2）H桥同一桥臂的上下两个管子是不能够在同一时间内导通的，必须互补导通，而且要带有一定延时的死区时间，否则会短路，烧毁管子。由于本设计的死区时间是由IR2104内部硬件电路产生的，而且学校的示波器两个通道的地是内部接到一起的，测量上下管的死区时只能同一个参考地测量，电压相差了大约15V左右，实测死区延时对比数据手册，存在一定的误差。实际测量的波形如图5-4所示：（CH1接上管G极，CH2接下管G极，参考地接左桥臂的VS）图5-4 互补带死区的PWM波形图（3）要使自举电路能够正常自举工作，还要注意调速系统工作时自举电容两端的平均电压是否保持在10-20V之间，本系统设计的驱动电源是12V，理论上，自举电容两端电压是11V左右。最后通过示波器观测自举电容两端的波形，是一个快速充放电的波形图，平均电压在10.6V左右，符合预期的效果。波形如图5-5所示：图5-5 自举电容充放电波形5.3 测速及显示测速硬件电路用的是U型测速传感器模块，显示用的是LCD1602。转速显示是每秒刷新一次，占空比是静态的，根据相应的按键进行设置。由于单片机内部处理时间较慢，测量转速脉冲和计算转速时会存在一定的误差。其实际使用安装及显示的转速和占空比如图5-6所示：图5-6 测速与显示模块实物图测速原理是采集信号脉冲。本设计在自制的码盘上开了一个小口，当电机匀速转动时，传感器的DO输出口能产生连续的脉冲信号，将信号输入单片的外部中断1端口，设置下降沿的中断方式，便能够通过检测到的脉冲信号去测量转速。传感器测得的方波信号如图5-7所示：图5-7 测速脉冲信号波形图6 总结6.1 工作总结本设计通过查阅相关资料，研究设计了直流电机调速系统的硬件和软件部分。在研究的过程中主要解决了以下几个方面的内容：（1）通过阅读大量的文献和期刊，了解了电机的现状与发展史，对直流电机的基本原理和结构进行了深入的了解。（2）以51单片机为主控芯片进行了直流电机调速系统的硬件设计，其中硬件电路部分包括单片机模块、驱动电路、测速电路、按键显示电路。（3）根据硬件电路设计了软件程序，使用keil软件用C语言编程。包括了初始化程序、按键程序、PWM脉宽调节程序、测速程序、显示程序。（4）在上述工作的基础上，经过大量实验和调试，本系统的运行结果达到了预期的效果，证明了本设计采用的PWM调速方式和IR2104设计的自举驱动电路的可行性。6.2 不足和展望本系统的设计虽然达到了设计的要求，但由于本人的实际经验和学识水平有限，还有一些小问题需要改进：（1）本系统的测速模块采用的是U型光电测速传感器，测速方法采用的是M法测速，且码盘是手工制作，精度与准度都存在瑕疵。另外，由于单片机本身的处理速度较慢，一个周期就是1us，当采用定时器产生可调PWM时，开关频率上限难以提高。（2）利用更高级的单片机处理器，加快处理速度，并采用闭环反馈，提高电机转速的精度和实用性。由于本人研究水平有限，此问题待以后研究。参考文献1 王惠平.基于DSP的直流电机调速、测速系统设计J.青海大学学报(自然科版),2011,06:28-32.2 李美艳.基于单片机的直流