直流电机PWM调速器设计.doc

课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 目目 录录 摘摘 要要 2 2 1 1 直流电机直流电机 3 3 1 1 直流电机特性 3 1 2 直流电机的原理 3 1 3 直流电机的主要技术参数 3 1 4 直流电机调速技术指标 3 2 2 单片机的相关知识单片机的相关知识 4 4 2 1 单片机简介 4 2 2 单片机的特点 4 2 3 AT89C51 单片机介绍 5 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 6 6 3 1 PWM 波形的程序实现 6 3 2 直流电动机驱动 7 3 3 续流电路设计 8 4 4 软件设计软件设计 9 9 4 1 主程序设计 9 4 2 数码显数设计 10 4 3 功能程序设计 10 4 4 仿真图 13 4 5 仿真结果分析 15 5 5 学习心得体会学习心得体会 1515 参考文献参考文献 1616 1 摘摘 要要 本文是对直流电机 PWM 调速器设计的研究 主要实现对电机的控制 为实现系统的 微机控制 在设计中 采用了 AT89C51 单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分 配以各种显示 驱动模块 实现对电动机转速参数的显示和测量 由命令输入模块 光 电隔离模块及 H 型驱动模块组成 采用带中断的独立式键盘作为命令的输入 单片机在 过程控制下 不断给光电隔离电路发送 PWM 波形 H 型驱动电路完成电机正反转控制 在 设计中 采用 PWM 调速方式 通过改变 PWM 的占空比从而改变电动机的电枢电压 进而 实现对电动机的调速 设计的整个控制系统 在硬件结构上采用了大量的集成电路模块 大大简化了硬件电路 提高了系统的稳定性和可靠性 使整个系统的性能得到提高 关键词 关键词 AT89C51 单片机 PWM 调速 正反转控制 2 1 1 直流电机直流电机 1 11 1 直流电动机特性直流电动机特性 直流电动机具有良好的线性调速特性 简单的控制性能 优异的动态特性 目前仍 然是大多数调速控制电动机的最优选择 近年来随着计算机进入控制领域 以及 PWM 控 制方式成为主流 应用单片机技术和脉宽调制技术对直流电动机进行调速控制 是各种 智能化产品的首选方案 如今 计算机软件和硬件技术的快速发展 在许多领域都有成 熟的仿真软件在应用 Inter 公司推出的 Proteus 是一套基于标准仿真引擎的电路分析 实物仿真系统 该软件具有交互式动画仿真 基于图形的仿真和基于微控制器的仿真三 种模式 其最大的特点就在于它能够仿真单片机及其外围芯片 通过 Proteus 软件仿真 可以更好地帮助学生及工程师运用单片机技术进行计算机控制系统的设计 1 21 2 直流电机工作原理直流电机工作原理 直流电机模型如图 1 2 所示 磁极 N S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体 圆柱体 表面固定线圈 abcd 当线圈流过电流时 线圈受到电磁力作用 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 图 1 2 直流电动机电路模型 1 31 3 直流电机主要技术参数直流电机主要技术参数 额定功率 Pn 在额定电流和电压下 电机负载能力 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 单位时间内的电机转动快慢 励磁电流 If 施加到电极线圈上的电流 1 41 4 直流电机调速技术指标直流电机调速技术指标 1 4 11 4 1 调速范围调速范围 调速范围是指在一定的负载转矩下 电动机可能运行的最大转速 max n 与最小 转速min n 之比 即 A B a b c d N S 图图1 1 1 1 直直流流电电机机工工作作 3 min max n n D 1 4 21 4 2 调速的相对稳定性和静差度调速的相对稳定性和静差度 所谓相对稳定性 是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化 它决定 于机械特性的斜率 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 用百分数表示 即 100 n n 0 在一般情况下 取额定转矩下的速度落差 N n 有 100 n n 0 N 1 4 31 4 3 调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性是指在一定的调速范围内 相邻两级速度变化的程度 用平滑系数 表 示 即 1 i i n n 式中 i n 和 1 i n 相邻两级 即 i 级与 i 1 级的速度 1 4 41 4 4 调速时的容许输出调速时的容许输出 调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下 在调速过程中轴能够输出的 功率和转矩 2 2 单片机识的相关知识单片机识的相关知识 2 12 1 单片机简介单片机简介 单片机全称为单片机微型计算机 Single Chip Microsoftcomputer 从应用领域来 看 单片机主要用来控制 所以又称为微控制器 Microcontroller Unit 或嵌入式控 制器 单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机 2 22 2 单片机的特点单片机的特点 1 单片机的存储器 ROM 和 RAM 时严格区分的 ROM 称为程序存储器 只存放程序 固定 常数 及数据表格 RAM 则为数据存储器 用作工作区及存放用户数据 2 采用面向控制的指令系统 为满足控制需要 单片机有更强的逻辑控制能力 特别 是单片机具有很强的位处理能力 3 单片机的 I O 口通常时多功能的 由于单片机芯片上引脚数目有限 为了解决实际 引脚数和需要的信号线的矛盾 采用了引脚功能复用的方法 引脚处于何种功能 可由 指令来设置或由机器状态来区分 4 4 单片机的外部扩展能力很强 在内部的各种功能部件不能满足应用的需求时 均可 在外部进行扩展 与许多通用的微机接口芯片兼容 给应用系统设计带来了很大的方便 2 32 3 AT89C51AT89C51 单片机介绍单片机介绍 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的 管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程 序数据存储器 它可以被定 义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验 时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作 输入 P1 口被外部下拉为 低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为 第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻 拉高 且作为输入 并因 此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存 储器进行存取时 P2 口输出地址的高八 位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写 时 P2 口输出其特殊功能 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U4 AT89C51 图 2 1 89C51 单片机 寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下 5 拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出 正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目 的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器 时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起 作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期 两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是 否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电 平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 PWMPWM 波形的程序实现波形的程序实现 改变占空比可以改变电枢端电压 改变占空比的方法有 3 种 即定宽调频法 调宽 调频法和定频调宽法 前两种方法均改变了信号的频率 当频率与系统固有频率接近时 将引起振荡 故应用较少 目前在直流电动机的控制中以 PWM 控制方式为主 PWM 信号的 产生通常有两种途径 传统的方法是利用硬件电路实现 随计算机技术及电力电子技术 的发展 PWM 波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以 89C51 单片机为控制核心 晶 振频率为 12MHz 定 时计数器 TO T1 作定时器使用 工作在方式 1 定时时间为 0 1ms 若 PWM 波形的频率为 50 Hz 占空比为 1 1 则和 R0 载人 30H 和 31H 单元的值初始 100 若在程序中利用按键产生中断调用来改变 30H 和 31H 单元的值就可以改变占空比 系 统流程图如图 2 所示 6 图 2 程序流程图 3 23 2 直流电动机驱动直流电动机驱动 在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用 IGBT 作为主开关组件 对中小功率 的电机常采用功率场效应管作为主开关组件 另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱 动系统采用集成电路 L298 来驱动电机 图 3 L298 内部结构和功能引脚图 L298 是双 H 高电压大电流功率集成电路 直接采用 L 逻辑电平控制 可以驱动继电 器 直流电动机 步进电动机等电感性负载 其内部有两个完全相同的功率放大回路 其内部结构和引脚功能如图 3 所示 开 始 正 转 系统初始化 反 转 停 止 调显示子程序 发正转命令 发反转命令 发停止命令 Y Y Y 7 表 3 1 L298 引脚符号及功能 引脚功能 SENSA SENSB分别为两个 H 桥的电流反馈脚 不用时可以直接 接地 ENA ENB使能端 输入 PWM 信号 IN1 IN2 IN3 IN4输入端 TTL 逻辑电平信号 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4输出端 与对应输入端同逻辑 VCC逻辑控制电源 4 5 7V VSS电机驱动电源 最小值需比输入的低电平电压高 GND地 当使能端为高电平时 输入端 IN1 为 PWM 信号 IN2 为低电平信号时 电机正转 输入端 IN1 为低电平信号 IN2 为 PWM 信号时 电机反转 IN1 与 IN2 相 同时 电机快速停止 当 使能端为低电平时 电动机停止转动 3 33 3 续流电路设计续流电路设计 由于电机具有较大的感性 电流不能突变 若突然将电流切断 将在功率管两端产 生很高的电压 损坏器件 我们在此电路中应用的是二极管来续流 利用二极管的单向 导通性 二极管的选用要根据 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 由于电机具有较大的感性 电流如果突变易损坏功率胳即 L298 芯片 为保护芯片加 上洗续流电路 电路的工作原理替如图 3 7 所示 电路的工作原理 当电机正转时 若突然掉电 D1 D4 导通 D2 D3 截止 当电机反转时 突然掉电 D2 D3 导通 D1 D4 截止 D1D2 D3D4 M M1 VS Y1 Y2 图 3 7 续流电路工作原理图 8 4 4 软件设计软件设计 4 14 1 主程序设计主程序设计 该主程序主要完成初始化 设置定时常数和中断入口程序 主程序不断的循环处于等待 中断状态 ORG 0000H AJMP START ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0030H 系统初始化 START MOV SP 60H 赋初值 MOV R0 00H 给 R0 送值 0 MOV R1 00H 给 R1 送值 0 CLR P1 5 置 0 CLR P1 6 置 0 CLR P1 7 置 0 MOV TMOD 01H 写控制字 MOV TL0 0FFH 置定时常数 MOV TH0 0FFH SETB EA 允许中断 SETB EX0 允许外部中断 0 SETB ET0 允许 TL0 中断 CLR IT0 SETB TR0 启动 TL0 图 4 1 主流程图 开 始 正 转 系统初始化 反 转 停 止 调显示子程序 发正转命令 发反转命令 发停止命令 Y Y Y 9 4 24 2 数码显数设计数码显数设计 通过 P1 1 P1 2 口来控制数码 显示通过查表和调用延时实现数的显示 程序代码 MOV DPTR TAB MOV 40H 0 置 0 MOV 41H 0 置 0 LED SETB P1 1 P1 1 置 1 CLR P1 2 P1 2 清 0 MOV A 40H 将 40H 的内容送往 A MOVC A A DPTR 查表 MOV P0 A 查表所得 A 值送往 P0 口 LCALL TTS 调用延时 CLR P1 1 P1 1 清 0 SETB P1 2 P1 2 置 1 MOV A 41H 将 41H 的内容送往 A MOVC A A DPTR 查表 MOV P0 A 查表所得 A 值送往 P0 口 LCALL TTS 调用延时 CLR P1 2 P1 2 口清 0 LJMP LED 跳转到 LED ORG 2000H TAB DB 40H 79H 24H 30H 19H DB 12H 02H 78H 00H 10H 4 34 3 功能程序设计功能程序设计 结束中断后转入相应的功能键程序 为加速 减速 正转 反转 暂停 程序代码 ITT0 CPL P1 5 P1 5 口取反 JNB P1 5 Z1 MOV A 0FFH 低电平定时 SUBB A R0 MOV TH0 A SETB TR0 启动 TL0 10 RETI Z1 MOV TH0 R0 高电平定时 SETB TR0 RETI INT0 CLR EX0 实现键盘控制 MOV A 0FFH MOV P2 A MOV A P2 JNB ACC 0 JIA JNB ACC 1 JIAN JNB ACC 2 FF 图 4 2 数码显示流程图 图 4 3 中断子程序流程图 JNB ACC 3 ZZ JNB ACC 4 TZ AJMP CC JIA CJNE R0 0FFH AA 实现电机加速 AJMP CC 11 AA MOV A R0 ADD A 25 MOV R0 A AJMP CC JIAN CJNE R0 00 BB 实现电机减速 AJMP CC BB MOV A R0 SUBB A 25 MOV R0 A AJMP CC CC MOV A R0 数码显数 MOV B 25 DIV AB MOV B 10 DIV AB MOV 40H A MOV 41H B SETB EX0 LCALL TTS 调用延时 LCALL TTS 调用延时 LCALL TTS 调用延时 LCALL TTS 调用延时 RETI FF SETB P1 6 电机反传 CLR P1 7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI ZZ CLR P1 6 电机正转 SETB P1 7 12 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TZ CLR P1 6 实现电机停止 CLR P1 7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TTS MOV R3 0E0H 延时子程序 TT1S MOV R4 40H TT0S DJNZ R4 TT0S DJNZ R3 TT1S RET END 4 44 4 仿真图仿真图 在该设计中 利用 Proteus 软件进行仿真 Proteus 是英国 Labcenter 公司开发的电 路分析与仿真软件 运行于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 数字电路 模 拟电路 数模混合电路 是目前唯一能实现对 51 PIC AVR HC11 ARM 等处理器的仿 真软件 最后 点击运行按钮 启动系统仿真 图中电机处于初始化状态 仿真结果如图 4 4 所 示 13 相应电机的显示如图 4 5 所示 图 4 5 仿真结果 2 14 4 54 5 仿真结果分析仿真结果分析 当仿真开始运行时 各个模块处于初始状态 点击右边的独立键盘加速或是减速按钮 显示模块便开始显示数字 然后点击正传或是反转 电机的驱动模块能够实现电机的正 转 反转 加速 减