小功率直流电机调速系统设计毕业论文.doc

小功率直流电机调速系统设计毕业论文目 录 论文总页数：48页1 引言11.1课题背景及意义11.2本课题研究方法和目标11.2.1 硬件部分11.2.2 软件部分11.3主要技术介绍22 方案研究与主要芯片选择22.1 总体方案原理及设计框图22.2 主控芯片的选择与论证32.3 显示设备的选择与论证42.4 驱动模块选择63 硬件电路设计73.1 单片机控制模块单元电路设计73.1.1XS128单片机73.1.2 C51单片机133.2 驱动控制电路设计133.3 测速电路设计143.4 液晶显示电路设计143.5 电源电路的设计163.6 按键输入电路的设计163.7电路总设计174软件设计194.1软件设计的总体流程图194.2各个模块的程序设计204.2.1 XS128工作的程序设计204.2.2 按键模块的程序设计234.2.3 显示模块的程序设计244.2.4 调速模块的程序设计255软硬件调试模块265.1 C51单片机模块程序的调试265.1.1单片机程序的调试265.1.2单片机程序的下载275.2 XS128单片机程序的调试和仿真275.2.1 XS128程序的调试275.2软硬件连调中遇到的问题及解决方法285.3 小功率电机调速系统的使用方法295.4 调速中的误差的分析305.5 方案改进32结 论32参考文献34致 谢35声 明37附 录38 1 引言1.1课题背景及意义在现代的工业生产及应用中，电动机发挥着越来越重要的作用，由电动机和生产机械组成的系统称为电力拖动系统，电动机是其重要的组成器件，电动机的作用是将电能转换为机械能，为生产机械提供动力，是生产机械的原动力，是生产机械的原动机，为生产提供了动力1。直流电机传动效率高、运行经济、操作简便，因而得到了越来越广泛的应用，特别是在现在的工业企业中，几乎所有的生产机械都是由电动机来拖动的，例如各种机床、各种生产线、风机、水泵，等等。可以毫不夸张的说，没有电动机、没有直流电机，就没有现代工业。这样，电动机在我国国民经济中得重要作用就不言而喻了，所以说电动机在的日常的生活中是必不可少的。所以设计中非常有必要研究一下直流电机。电动机是主要的动力设备，直流电动机就是将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换为直流电能（直流发电机）的旋转电机。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，由于在需要用到变速的场合有很多的应用，所以需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求。这就使研究直流电机的转速变的非常有意义，对日常的生活也有很大的帮助2。1.2本课题研究方法和目标1.2.1 硬件部分1、首先确定电机驱动的电路，以及控制驱动电路的方式。2、要使其驱动电路工作，则需要给驱动电路信号，也就是PWM控制信号，这个信号就得要XS128单片机产生。这就是要设计一下XS128核心控制模块，还有按键输入预置转速的模块。3、电机转动以后需要测量其速度，这时要用到测速的模块来测量其速度，实际转速来作为反馈信号进行比较，使XS128单片机调节占空比，控制电机转速的快慢。4、测速以后，本设计需要用到显示模块来进行显示预设转速和实际转速。1.2.2 软件部分1、 键盘输入预设转速程序，通过按键来给单片机的预设转速。一边给XS128单片机，一边给51单片机。2、XS128单片机产生PWM信号的程序，这个占空比大小是可调的，设计为键盘输入预设转速与当前转速相比较由软件自动调节，然后产生要求的触发信号去控制电机按照设计中要求的转速工作。3、C51单片机控制LCD1602显示的程序，显示预置转速和实际的转速。本设计将实现直流电机的闭环调速，转速预置，速度显示，速度测量等基本功能。1.3主要技术介绍本设计核心技术是脉宽调制（Pulse Width Modulation）控制技术，该技术通常简称为PWM控制技术。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。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。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。研究PWM是非常有实际意义的。脉冲宽度调制（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，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）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的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码3。 2 方案研究与主要芯片选择2.1 总体方案原理及设计框图本设计是基于MC9S12XS128单片机为核心处理芯片来控制整个系统进行运行，还用到了STC89C51单片机为辅助显示模块。系统框图如图2.1所示。MC9S12XS128电源 键盘输入 测速驱动设备显示装置调速图2.1控制系统框图如图2.1所示本方案采取MC9S12XS128为核心控制的芯片来作为控制系统的核心，键盘输入转速，来使控制中心产生PWM信号给驱动模块，来控制驱动模块，调节电机转动的转速，测速模块实时的对电机进行测速，并把速度反馈给控制核心，与键盘输入转速进行比较，然后依次调节PWM信号，使电机的实际转速和键盘输入转速相同。电源为5V和6V，6V电源给驱动电路的BTS7960芯片来进行供电，5V的电源给显示模块、MC9S12XS128核心控制模块、测速模块来进行供电。键盘输入模块是四个按键，分别相当于千，百，十，个位，通过按键来设定转速。测速模块实际就是一个红外发光对管，通过测量高低脉冲的个数来实现测速。驱动模块是由两片BTS7960组成的H桥来对电机进行驱动。显示装置用到了STC89C51单片机来驱动LCD1602液晶来对实际转速和键盘的预设转速来进行显示。调速模块通过调节PWM信号的占空比来进行调速4。根据系统框图，对系统进行了设计，对设计过程中要用到器件选择，下面是对各部分单元器件的论证和选择。2.2 主控芯片的选择与论证在本设计中，主控电路可以用到两种芯片。1、 采用MC9S12XS128作为系统的主控芯片。MC9S12XS128控制芯片的介绍：MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X)、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB数据Flash组成片内存储器。这要功能模块包括：内部存储器；内部PLL锁相环模块；2个异步串口通讯SCI；1个串行外设接口SPI；1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM；周期中端定时器模块PIT；16通道A/D转换模块ADC；1个8通道脉冲宽度调制模块PWM；输入/输出数字I/O口。MC9S12XS128比C51的功能更为强大。MC9S12XS128有丰富的输入输出端口资源，同时集成了多种功能模块，端 口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ、PORTAD共11个端口。端口引脚大多为复用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。MC9S12XS128有着更为丰富的端口资源，XS128的时钟频率可以达到24MHz，是系统的定时变得更加的精确，定时一分钟误差比C51单片机的定时一分钟的误差要小。 XS128寄存器丰富，便于设计中的调用，包括其PWM信号的设定，占空比的调整，测速信号的输入都比较的方便。在做电机调速的方面和C51相比较XS128还是有很大的优势。该单片机共有112个管脚，管脚的资源丰富，便于对其进行控制和编程。其管脚图如图2.2所示。图2.2 MC9S12XS128引脚图2. 采用89C51作为作为系统主控芯片51089C51单片机是8位单片机，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，P0，P1，P2，P3为I/O口。P0作I/O口时需要接上拉电阻。两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串口通信口，片内振荡器及时钟电路。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，工具有111条指令，与其他高位单片机相比而言，指令周期较长，运算速度太慢，而且由于其内部总线是8位的，其内部功能模块也基本上都是8位的；89C51单片机本身的电源电压是5伏，89C51有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。比较以上两种方案：1.MC9S12XS128是16位的运算速度比较快，而C51是8位的运算速度不快。2.MC9S12XS128产生PWM信号比较精确，并且有专门产生PWM信号的寄存器，并且方便简单，可操作性强。C51没有专门产生PWM信号的寄存器，可操作性不强，产生PWM波还得需要外围电路，PWM信号产生的质量也不好。相比于XS128，C51单片机产生PWM信号要麻烦，所以本设计选用MC9S12XS128为主控制芯片，来控制电机的调速。2.3 显示设备的选择与论证1、使用数码管显示数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮；共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。在本设计中可以使用一个3/8译码器作为位选芯片，一个74LS573作为段选芯片，预计要完成各功能电路的显示则至少需要两个四合一数码管，此方案连线太多，硬件设计不便，并且其功耗较大11。2、 使用液晶LCD1602显示液晶显示屏主要用于数字型钟表和其他字符和数字的显示。其显示使用了两片极化材料，在它们之间是液体水晶溶液。设计中用到的字符型液晶模块时一种用5*7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，本设计中要用到的是2行16个字的液晶显示。相比于其他显示器件，液晶显示器件具有很多独到的优异特性：（1）低压、微功耗。极低的工作电压，只要23V即可工作，而工作电流仅几微安，这是其他任何显示器件无法比拟的。（2）平板型结构。平板型结构便于大批量、自动化生产。（3）被动型显示。液晶显示器本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的，因此称为被动型显示。液晶显示不仅可以用于室外显示，而且还可以用于在阳光等强烈照明环境下显示。对于黑暗中不能观看的缺点，只要配上背光源，就可以克服。（4）显示信息量大。液晶显示在同样大小的显示窗面积内，可以容纳更多的像素，显示更多的信息。（5）易于彩色化。液晶本身虽然一般是没有颜色的，但它实现彩色化却很容易，方法也很多。（6）寿命长。液晶材料是有机高分子材料，具有极高的纯度，液晶的驱动电压很低，驱动电流更是微乎其微，因此寿命很长。（7）无辐射，无污染。液晶显示器件使用时不会产生软射线及电磁波辐射12。液晶显示有驱动简单，耗电量小，无辐射危险，平面显示以及影像稳定不闪烁等优势，显示清晰直观，并且其抗干扰能力强、显示的信息量比数码管就要大等诸多优点，数码管显示虽然编程简单，但是，显示的效果不好，画PCB图时连线比较麻烦，且必须的消影。经比较，本设计选择此方案，用LCD1602来显示数据。2.4 驱动模块选择1、 使用MOS管来搭建驱动电路常用的直流电机驱动方式有用MOS管来搭建H桥驱动方式，在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。能提供较大的电流，原理图如图2.2所示12。 图2.2 MOS管驱动电路的原理图其工作原理如下：使能端输入的电平为高电平1，当DIR-L输入0，而DIR-R输入1时，Q1和Q4导通，而Q2和Q3截止。这样就会使电机往顺时针方向转动。相反，DIR-L=1，而DIR-R=0时，Q1和Q4就是截止，Q2和Q3就会导通，电机会往逆时针方向转动13。2、使用驱动芯片BTS7960来组建驱动电路BTS7960的工作原理和MOS管驱动电路的工作原理相同，都是搭建为H桥驱动电路，BTS7960是半桥驱动芯片，就是说需要两个芯片来组成一个H桥来驱动电机的转动，电流最高43A，驱动电流稳定，驱动效果好。由于其内阻较小，所以其发热量也小。其管脚及其作用说明如表2.1所示。表2.1 BTS7960的管脚及其功能管脚名称I/O功能1GND-接地2IN输入输入（高或低有效）3INH输入抑制（低电平进入休眠状态）4OUT输出半桥功率输出5SR输入转换功率调整6IS输出电流检测与自我诊断7VSS-供电用MOS管搭建H桥的驱动电路麻烦，并且发热量大并且不稳定， BTS7960的最大驱动电流可以达到43A，并且内阻较小，发热量小，接上外围电流就可以用，驱动电路稳定，综合考虑，本设计选用两片BTS7960来作为驱动模块，来驱动小功率直流电机的转动。3 硬件电路设计3.1 单片机控制模块单元电路设计3.1.1XS128单片机XS128单片机最小系统电路图如图3.1所示。 图3.1 XS128单片机最小系统电路图XS128要用到其PLL模块，PWM模块，ECT模块。对电机的速度的调试和测试进行控制。XS128中需要用到PWM2对电机进行调速，PM2和PM3的借口和驱动模块的两个PWM信号输入的借口接到一起。还有按键的信号输入，设计中用PORTA来接受按键的信号，分别用PA0，PA1，PA2，PA3来表示按键输入的千位，百位，十位，个位的信号。测速模块接到了PT7口，用来进行中断计数，计脉冲的个数。在编程的过程中用到了模块，下面来介绍介绍一下模块的功能和寄存器11。1、时钟模块（PLL锁相环 ）时钟的设定就是对PLL进行编程，PLL就是锁相环，作用就是提高总线的频率，这是因为MCU的支撑电路一般需要外部时钟来给MCU提供时钟信号，而外部的时钟的频率可能偏低，为了使系统更加快速稳定的运行，则需要提升系统所需要的时钟频率，这就得用到PLL。本设计用的XS128单片机的时钟频率是16M的晶振，但是实际要用到24M时钟频率，则可以通过锁相环把系统的时钟提高到24M，从而给系统提供更高的时钟信号，提高程序的运行速度。这也是XS128单片机与C51单片机的一个区别，在C51单片机中没有PLL锁相环。C51单片机的时钟频率只有11.0592M，没有XS128单片机运行的速度快。本设计要用到的时钟频率为24M。PLL初始化的步骤如下：（1） 禁止总中断。（2） 寄存器CLKSEL的第七位置0，即CLKSEL_PLLSEL=0。选择时钟源为外部晶振OSCCLK，在PLL程序执行前，内部总线频率为OSCCLK/2。（3） 禁止锁相环PLL，即PLLCTL_PLLON=0。（4） 根据想要的时钟频率设置SYNR和REFDV以及POSTDIV（可以不管）三个寄存器。（5） 打开PLL，即PLLCTL_PLLON=1。（6） CRGFLG_