单片机的直流电机调速系统设计 精品.doc

基于单片机的直流电机调速系统设计1 绪论1.1 单片机简介单片机是单片微型计算机的简称，是指在一块半导体芯片中集成有中央处理器、存储器、基本I/O接口以及定时/计数器等必要部件的完整的微型计算机。单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于工业控制、智能仪器仪表、机电一体化、家用电器、智能玩具等各个领域，极大地提高了相关产品的智能化程度和技术水平，已经成为当今社会十分重要的技术。单片机具有体积小、集成度高、可靠性强、功能全、性价比、重量轻、运算速度快等诸多优点，利用单片机可以较方便地构成控制系统。如果说C语言程序设计课程设计的基础课，那么单片机以其系统硬件构架完整、价格低廉、学生能动手等特点，成为工科学生硬件设计基础课。本课题中采用芯片AT89S52，其是一款低功耗空闲、低电压、掉电模式、高性能CMOS的8位单片机，片内含8KB（可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度，与MCS-51系列单片机兼容，可方便的应用在各个控制领域。AT89S52管脚图见图1-1。图1-1 AT89S52管脚图P0.7-P0.0：8根I/O线，每根线可以单独做输入或者输出。单片机内部有Flash内存，P0口可以作为通用I/O口，此时控制端为低电平，转换开关MUX把输出级与锁存器的Q端接通。在I/O模式下作为输出口使用时，P0口外接上拉电阻，否则P0口无法输出高电平。在I/O模式下作为输入口使用时，在输入操作前向端口写“1”。输出级两个场效应管均截止，可以作为高阻抗输入，通过三态输入缓冲器读取引脚信号，从而完成输入操作。P0口可作为低8位地址/数据复用总线使用。P1.7-P1.0：P1口是一个内部有上拉电阻的准双向口，作通用I/O口使用。P1口作为输出口使用时，已能向外提供推拉电流负载，无需再外接上拉电阻。P1口作为输出口使用时，和P0口一样，须将“1”写入锁存器，场效应管T2截止。P2.7-P2.0：P2口作为通用I/O口使用时，是一个准双向口。P2口作为高8位地址总线口使用时，用于输出高8位地址A15A8，和P0口引脚的第二功能相配合，但不能像P0口传送存储器的读写数据。P3.7-P3.0：作为第一功能使用时功能同P1口，第二功能是系统具有控制功能的控制线。VCC为+5V电源线，GND为接地线。ALE/地址锁存允许/编程脉冲：在访问片外存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash内存编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但在每次存取外部数据存储器的过程中，会跳过一个ALE脉冲。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。/VPP：外部程序存储器访问允许端/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果=1，那么允许使用片内ROM；如果=0，那么允许使用片外ROM。XTAL1和XTAL2：接外部晶体的两个引脚，XTAL1是构成片内振荡器的反相放大器的输入端，XTAL2是构成片内振荡器的反相放大器的输出端。若采用片内的振荡电路，在XTAL1和XTAL2间连接一个石英晶体或陶瓷谐振器，若连前者，C1、C2的取值范围为2233pF；若连后者，C1、C2的取值范围为4047pF。1.2 选题的目的和意义直流电动机的起动、制动性能好，适合平滑调速于大范围内，广泛应用于许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中。从控制的这一层面来看，交流拖动系统以直流调速为基础。早期，模拟电路是直流电动机的控制的基础，由运放、不是线性的集成电路和少量的数电构成，控制系统的系统部分非常不灵敏、调试很难，而且硬件部分非常不简单，功能较单一，在推广直流电机控制技术的运用范围及其发展的方面受到了阻碍。因为单片机芯片技术日新月异，采用软件技术可以来完成许多控制及算法功能，使直流电机的控制灵活性得到了更大的提高，并使系统性能更好。采用单片机构成控制系统，可节约人力资源，降低系统成本，提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统已经由数字化向实用化慢慢转变，随着电子技术的快速发展，促使直流电机调速逐步由模拟化转变为数字化，特别是因为单片机技术的普及，使直流电机调速技术又上升到一个新的阶段，其发展更趋于智能化、高可靠性。1.3 研究背景与方法现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中取代了笨重的发电动一电动机的FD系统，而大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZD拖动系统。与交流电机相比，直流电机调速基本原理是比较简单的，通过改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，本设计中使用最常见的一种，即PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术因为控制简单、灵活和动态响应好的优点，所以成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，成为人们研究的热点。设计的功能主要包括：1) 直流电机的正转；2) 直流电机的反转；3) 直流电机的加速；4) 直流电机的减速；5) 直流电机的转速在数码管上显示；6) 直流电机的启动；7) 直流电机的停止；2硬件系统设计2.1 技术基础2.1.1直流电机的结构直流电机的结构组成分定子和转子两大部分。定子指直流电机运行时不运动静态的部分。转子指直流电机运转的部分。直流电机的结构见图2-1。图2-1 直流电机结构图2.1.2 直流电机的工作原理 磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。直流电动机电路模型见图2-2。2.1.3 直流电机的主要的技术参数 额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。 额定电压Ue：长期运行的最高电压。 额定电流Ie：长期运行的最大电流。 额定转速n：单位时间里面电机转速的快慢。 励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。图2-2 直流电动机电路模型2.1.4 直流电机的调速的技术指标 1）调速范围：指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可控转速的比值，叫电机的调速比。本课题的调速范围为0120转/秒。 2）相对稳定性：指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。 3）静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。静差度的公式见式（2.1）。 式（2.1） 在一般的情况下，取额定转矩下的速度落差，静差度的公式见式（2.2）。 式（2.2） 式中 表示静差度； 4）调速的平滑性：是在一定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，平滑系数的公式见式（2.3）。 式（2.3）式中和相邻两极，即i级与i-1级的速度 5）调速时的容许输出：是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速的过程中轴能够输出的功率和转矩。2.2 系统总体方案设计单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。键盘向单片机输入相应控制指令，如单片机通过P1.3输出与转速相应的PWM脉冲，P1.4输出低电平，经过信号放大、光电开关、驱动H型桥式电动机控制电路，进而控制电动机转向与转速。反之亦然。数码管显示电动机的运转状态。正转时最高位显示“C” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“A”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“C000”。 总体设计方案的硬件部分详细框图见图2-3。单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制） 单片机（PWM模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键 盘显示器图2-3 硬件部分详细框图2.3 硬件系统设计2.3.1 控制电路的设计控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机增加了很多的功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动的发出PWM脉冲波，只有在改变占空比的时候CPU才干预。当有按键按下时，电机转动。2.3.2 PWM驱动模块电路的设计电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。电路图见图2-4。图2-4 PWM驱动模块电路图 PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四个部分的晶体管，以一个对角的组合被分成两组：根据两个输入端的低高电平，决定晶体管导通与截止。4个二极管在电路中的作用是防止晶体管产生反向电压，防止电动机两端和晶体管上的电流过大，起保护电路的作用。 在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若复合管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，且由于三极管本身压降，结果加到电动机两端的电压差不多只有4V，严重削弱了电动机的驱动力。综合上述，我们运用了itr-9608光耦集成块，隔开控制部分与电动机的驱动部分。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅使各系统模块之间的隔离度增加，也大大的增强了驱动电流。在电动机信号驱动这一层面，我们采用周期矩形信号控制，周期矩形信号的特点是占空比可调。脉冲频率是电动机转动速度的影响因素，脉冲频率越高，带负载能力就越差，但连续性越好，反之亦然。经实验发现，当电动机转动很平静时加负载后，速度明显下降，速度很低时甚至会停止转动；在脉冲频率低于10Hz这一情况下，电动机跳动现象明显。而具体使用的频率可随着个别电动机性能在此范围内调节。通过PWM2输入高电平信号，PWM1输入低电平，电机正转；通过PWM2输入低电平信号，PWM1输入高电平，电机反转；PWM1、PWM2同时为高电平或低电平时，电机不转。通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。我们应用二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用必须要根据PWM的频率和电机的电流来决定。二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。为保护芯片而加上续流电路，其电路原理图见图2-5。图2-5 续流电路原理图2.3.3 光电开关测速部分电路的设计 红外测速部分，R6用来限制发射二极管的电流。发射管的电流大则发射功率大，但不能超过它的极限电流，它的极限输入正向电流为50mA。红外测速原理图见图2-6。图2-6 红外测速原理图2.3.4 电机控制正反转电路设计H桥部分控制电路设计：知道通过调节直流电机的电压可以改变电机的转速，但是一般我们设计的电源大都是固定的电压，而且模拟可调电源不易于单片机控制，数字可调电源设计麻烦。所以这里用脉宽调制（PWM）来实现调速。方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，我们可以通过占空比实现改变有效电压。一般用软件模拟PWM可以有延时和定时两种方法，延时方法占用大量的CPU，所以这里采用定时方法。 电路因它的形状酷似字母H，所以叫“H桥驱动电路”。电机是字母H中的一横，而4个三极管组成字母H的上下左右的一竖（注意：图2-7，图2-8,图2-9只是示意图，画出大概，没有画出三极管的完整的驱动电路图）。从图中看出，H桥直流电机驱动电路包含2个NPN三极管、2个PNP三极管和一个电机。当Q1和Q4或者Q3和Q2都导通时，电机才会运转。根据第二对或第一对三极管的导通情况，电流会从右至左或者从左至右流过电机，从而控制电机的转向。典型的直流电机控制电路见图2-7。图2-7 H桥驱动电路图 电机要想实现运转的功能，必须使对角线上的两个三极管导通。 例如，如图2-8所示，当Q4管和Q1管导通时，电流就从VCC正极出发，从左至右的方向，经Q1穿过直流电机M，再经Q4流回VCC负极。如图所示，直流电动机顺时针转。H桥驱动直流电动机顺时针转动图见图2-8。图2-8 H桥电路驱动电机顺时针转动 同样道理，如图2-9所示，当Q2管和Q3管导通时，电流就从VCC正极出发，从右至左的方向，经Q3穿过直流电机M，再经Q2流回VCC负极。如图所示，直流电动机以逆时针的方向转。H桥驱动直流电动机逆时针转动图见图2-9。图2-9 H桥驱动电机逆时针转动2.3.5 数码管显示设计LED数码管（Light Emitting Diode）是一种固态的半导体器件，可以直接把电转化为光，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字。可以显示：时间、日期、距离等可以用数字代替的参数。 数码管实际上是由7个发光管加上小数点组成8字形，将8个发光管分别记作a,b,c,d,e,f,g,h。按能显示“8”的个数可分为1位、2位、4位等等数码管，本设计采用四位一体的共阳极LED，即把4个LED的阳极接到一起，接+5V电源，当某一字段发光单元的阴极为高电平时，相应字段就不亮；当某一字段的阴极为低电平时，相应字段就点亮。常用LED显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。动态驱动是连接所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端，此外，为每个LED的公共极增加控制电路，并且通过相互独立的I/O线控制位选通电路，当单片机的P2口输出字时，所有LED会收到相同的字，单片机对P0位选通端电路的控制决定哪个数码管会显示出结果，所以我们只要打开需要显示的数码管的选通控制，该位就显示出字形，而没有打开选通控制的数码管就不亮。经过不同时刻依次控制各个LED的端，就轮流受控显示各个数码管，这就是动态驱动。在本设计中采用了四位七段数码管，用动态驱动来显示数值，因为单片机的输出端口输出的电流小，点亮数码管的能力不大，所以需要采用三极管放大输出电流，此次三极管采用的是C9012，显示设计电路图见图2-10。图2-10 显示设计电路图2.3.6 整个电路原理图整个电路原理图见图2-11。图2-11 整个电路原理图3 软件系统设计3.1 主程序设计系统主程序流程图见图3-1。系统初始化是否有按键按下开始按键处理结束YN电机转动光电开关测速数码管显示图3-1 主程序流程图本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和数码管显示等部分的设计。单片机资源分配表见表3-1。P0显示模块接口键盘中断P1键盘模块接口P1.3/P1.4PWM电机驱动接口系统时钟表3-1 单片机资源分配表3.2 按键控制程序设计共4个按键，分别为加速键、减速键、正反转键、复位键，手动按不同的键，电路实现不同的功能。按键控制流程图见图3-2。图3-2 按键控制流程图3.3 PWM软件程序设计通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对红外对接头输出的方波在单位时间内脉冲个数的计数。其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、红外对接头输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量PWM_ON控制。变量K1、 K2 、K3分别实现电机的加速、减速、正反转。PWM程序流程图见图3-3。K1/K2/K3是否按下数据初始化调整PWM波占空比/转向复位键是否按下电机停止转动开始结束YYN、N图3-3 PWM流程图3.4 数码管显示程序设计按键按下后，直流电机的转速通过数码管显示出来，并根据数据的变化，变化显示。流程图见图3-4。数据初始化是否有键按下按键释放检测数据显示NNYY开始结束图3-4 数码管程序流程图图3-4 数码管显示流程图4 系统功能调试4.1 调试软件介绍Protel99SE是一种EDA设计软件，应用于Windows9X/2000/NT操作系统，可以进行联网设计，采用设计库管理模式，数据交换能力和开放性及3D模拟功能很强。Protel 99SE 由（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）两大部分组成。其中电路原理图设计由电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）两部分组成。按照系统功能来划分，Protel99se主要包含6个功能模块：电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEIL C51编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和调试器以及C51编译器组成。其中uVision2集成开发环境中的工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、调试函数语言、变量和存储器。4.2 软件设计与功能1）直流电机调速功能：运用PWM脉宽调制原理。PWM（脉冲宽度调制）是经过控制固定电压的直流电源开关频率，进而改变负载两端的电压，进而实现直流电动机的调节速度的功能。在PWM脉宽调制的驱动系统中，按一个特定的频率来断开和接通电源，并且要求不同，断开和接通电源的时间不同。为达到调节平均电压的目的，可以通过改变电压的“占空比”这一方法，从而来控制电动机的转速,本设计中占空比为0%，10%，40%,70%,100%。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。PWM方波图见图4-1。图4-1 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，进行调速。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。2）直流电机测速功能：运用光电红外槽型开关来测直流电机转速。光电开关（光电传感器）全称是光电接近开关，它是利用遮挡或反射光束，通过同步回路选通电路，检测物体有或者无。物体不仅仅是金属，可检测所有能反光体。在发射器上，输入的电流变为光信号，光电开关射出此信号，接收器根据接收光线的有无或强弱探测目标体。光电开关分三部分，分别为发射器、接收器、检测电路。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于激光二极管、发光二极管（LED）、半导体光源及红外发射二极管。不间断地发射光束，或者改变脉冲宽度。在发射中多次选择受脉冲调制的光束辐射强度，朝着目标不间接地运行。接收器由光电二极管或光电池、光电三极管构成。在接收器的前面是光学元件如透镜