直流电动机调速系统设计.doc

创创 新新 设设 计计 创新设计名称创新设计名称 直流电动机调速系统设计直流电动机调速系统设计 创新设计 1 目录目录 目录 1 1 引言 2 1 1 设计背景 2 1 2 系统可实现的功能 2 2 总体方案设计 3 2 1 单片机选型方案 3 2 2 转速测量方案选择 4 2 3 直流电机驱动电路介绍 5 2 4 PWM 调宽方式的选择 6 2 5 键盘的选择 6 2 6 整体方案设计框图 6 3 硬件电路设计 7 3 1 系统的整体硬件框图 7 3 2 按键模块电路设计 7 3 3 数码管显示模块电路设计 8 4 系统软件设计 10 4 1 PWM 输出程序设计 10 4 2 数字 PID 算法程序设计 11 4 3 速度采集模块程序设计 12 4 4 按键设定程序设计 13 4 5 速度显示模块程序设计 15 5 总结 16 6 参 考 文 献 17 附录 A 系统原理图 18 创新设计 2 1 1 引言引言 1 11 1 设计背景设计背景 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 中已大量采用晶闸管 即可控硅 装置向电动机供电的 KZ D 拖动系统 取代了 笨重的发电动一电动机的 F D 系统 又伴随着电子技术的高度发展 促使直流 电机调速逐步从模拟化向数字化转变 特别是单片机技术的应用 使直流电机 调速技术又进入到一个新的阶段 智能化 高可靠性已成为它发展的趋势 直 流电机调速基本原理是比较简单的 相对于交流电机 只要改变电机的电压就 可以改变转速了 改变电压的方法很多 最常见的一种 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 本设计主要研究了利 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 以其控制简单 灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控 制方式 也是人们研究的热点 由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间 的界限 结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技 术发展的主要方向之一 1 21 2 系统可实现的功能系统可实现的功能 设计一个直流电机调速系统 要求系统具有如下功能 通过按键设定转速的 大小 然后由单片机产生 PWM 控制信号 控制直流电机驱动器 L298N 使电动 机以一定的转速旋转 为实现闭环控制 通过外围器件为单片机提供测量转速 的电平变化信号 单片机测得转速后 与设定的转速值相比较 通过数字 PID 算法产生控制信号 改变 PWM 输出的占空比 从而改变电动机转速 从而实现 闭环控制 使电动机在一个转速值上较稳定的旋转 创新设计 3 2 2 总体方案设计总体方案设计 2 12 1 单片机选型方案单片机选型方案 1 Intel 公司的 8051 系列 美国的 Intel 公司是最早的 MCU 生产商 Intel 公司于 1979 年推出的 MCS 51 奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构 8051 系列是最早最典 型的 8 位微控制器 2 Freescale 公司的 MC 系列 Freescale 半导体公司是世界上最大的微控制器厂商 其产品特点是品种 齐全 选择余地大 新产品多 多年来一直雄居高可靠微控制器销量总量榜首 Freescale 公司开发了众多的 8 位 16 位和 32 位微控制器品种 其微控制器的 特点之一是在同样的总线速度下所有的外部时钟较 8051 类微控制器低得多 因 而使得高频噪声降低 抗干扰能力增强 更适于工业测控和汽车电子的恶劣环 境 3 Microchip 公司的 PIC 系列 Microchip 公司的 PIC 系列微控制器 是 1996 年以来技术发展非常迅速 市场份额增长最快的微控制器 目前 它的主要产品是 PIC16C F 系列和 18C F 系列的 8 位机 PIC24 30 33 系列的 16 位机 PIC 系列微控制器采用 RISC 系统 和 Harvard 双总线结构 运行速度快 工作电压宽 低功耗 较高的输出驱动 能力 价格低 体积小 可一次编程或多次编程 Freescale 半导体公司的 8 位 S08 微控制器有以下特点 技术成熟 高可靠 高性能 抗干扰和电磁兼容性强 内部资源丰富 且种类齐全 选择余地大 新产品多 开发技术先进且费用低廉 可提供免费得集成开发环境和开发调试器 支持 C 高级语言开发 并进行了硬件和软件优化 效率较高 可平滑的完成从 8 位 MCU 到 32 位 MCU 核心的转移 他们的引脚兼容 开 发环境不变 虽然 51 单片机较其他单片机略显劣势 但是 51 单片机的开发现在是最成 熟的一款单片机了 而且价格相对较低 经济而稳定性好 结合本人的喜好 创新设计 4 本次设计选择 51 单片机作为本次设计的控制器 2 22 2 转速测量方案转速测量方案选择选择 测速是工农业生产中经常遇到的问题 学会使用单片机技术设计测速仪表 具有很重要的意义 要测速 首先要解决是采样的问题 在使用模拟技术制作 测速表时 常用测速发电机的方法 即将测速发电机的转轴与待测轴相连 测 速发电机的电压高低反映了转速的高低 使用单片机进行测速 可以使用简单 的脉冲计数法 只要转轴每旋转一周 产生一个或固定的多个脉冲 并将脉冲 送入单片机中进行计数 即可获得转速的信息 方案一 采用霍尔传感器测速 霍尔传感器是对磁敏感的传感元件 常用于开关信号采集的有 CS3020 CS3040 等 这种传感器是一个 3 端器件 外形与三极管相似 只要接 上电源 地 即可工作 输出通常是集电极开路 OC 门输出 工作电压范围 宽 使用非常方便 如图 1 所示是 CS3020 的外形图 将有字面对准自己 三根 引脚从左向右分别是 Vcc 地 输出 图 2 1 CS3020 外形图 使用霍尔传感器获得脉冲信号 其机械结构也可以做得较为简单 只要在 转轴的圆周上粘上一粒磁钢 让霍尔开关靠近磁钢 就有信号输出 转轴旋转 时 就会不断地产生脉冲信号输出 如果在圆周上粘上多粒磁钢 可以实现旋 转一周 获得多个脉冲输出 在粘磁钢时要注意 霍尔传感器对磁场方向敏感 粘之前可以先手动接近一下传感器 如果没有信号输出 可以换一个方向再试 这种传感器不怕灰尘 油污 在工业现场应用广泛 方案二 采用编码盘和光电耦合器测速 经比较 方案一虽然安装和接线都相对简单 但是对于本次学习性创新设 计而言并不经济 所以本次设计采用方案二 创新设计 5 2 32 3 直流电机驱动电路介绍直流电机驱动电路介绍 主要元件 恒压恒流桥式 2A 驱动芯片 L298N 光电耦合器 TLP521 4 工作电压方式 直流 工作电压 信号端 4 6V 控制端 5 36V 调速方式 直流电动机采用 PWM 信号平滑调速 特点 1 可实现电机正反转及调速 2 启动性能好 启动转矩大 3 工作电压可达到 36V 4A 4 可同时驱动两台直流电机 5 适合应用于机器人设计及智能小车的设计中 用 L298 驱动两台直流减速电机的电路 引脚 A B 可用于 PWM 控制 如果 机器人项目只要求直行前进 则可将 IN1 IN2 和 IN3 IN4 两对引脚分别接高 电平和低电平 仅用单片机的两个端口给出 PWM 信号控制 A B 即可实现直行 转弯 加减速 本次设计只用一个电机 电机驱动电路如图 2 2 所示 图 2 2 电机驱动电路 创新设计 6 2 42 4 PWMPWM 调宽方式的选择调宽方式的选择 调脉宽的方式有三种 定频调宽 定宽调频和调宽调频 本设计采用了定频调宽方式 因为采用这种方式 电动机在运转时比较稳定 井且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现 上比较方便 PWM 软件实现方式有两种 1 采用定时器做为脉宽控制的定时方式 这一方式产生的脉冲宽度极其精确 误差只 在几个 Us 2 采用软件延时方式 这一方式在精度上不及方案一 特别是在引入中断后 将有一 定的误差 基于不占用定时器资源 且对于直流电机 采用软件延时所产生的定时误差在允许范 围 故采用软件延时方式 2 52 5 键盘的选择键盘的选择 本设计中键盘主要用于参数的输入 将采用采用独立式键盘直接与单片机进行连接 这种方法结构简单 对于少数量的键盘来说比较适合 2 62 6 整体方案设计框图整体方案设计框图 整体方案设计框图如图 2 3 所示 图 2 3 整体方案设计框图 E t R t PI数字控制器 U t 电动机驱动器 转速输出 转速测量 创新设计 7 3 3 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 系统的整体硬件框图系统的整体硬件框图 本设计系统以 51 单片机作为电动机控制的核心 系统包括主控模块 51 单 片机 显示模块 键盘模块 电源模块以及电动机驱动模块 系统的整体框图 如图 3 1 所示 图 3 1 系统的整体硬件框图 3 23 2 按键模块电路设计按键模块电路设计 共设置四个按键 对应的功能分别为 S1 功能选择按钮 S2 数值增 1 按钮 S3 数值减 1 按钮 S4 确认按钮 对应的硬件接线原理图如图 3 2 所示 AT89C52 PWM输出 转速显示 电动机编码 盘和光电耦 合器 按键输入设定的转速值 创新设计 8 图 3 2 按键模块硬件连接电路图 3 33 3 数码管显示模块电路设计数码管显示模块电路设计 数码管显示电路硬件接线连接图如图 3 3 所示 创新设计 9 图 3 3 数码管显示硬件连线图 创新设计 10 4 4 系统软件设计系统软件设计 4 14 1 PWMPWM 输出程序设计输出程序设计 利用 AT89C52 单片机中的定时器 0 和定时器 1 分别产生相应的高低电平延 时 并在一定的总周期下 通过改变计数初值改变高或低电平的保持时间来实 现改变占空比 从而实现 PWM 波的不同占空比输出 进而改变电动机的电枢电 压 实现调速 define A 3000 设置 PWM 的频率 define n 50 设置 PWM 的占空比 n 100 下面是对定时器 0 和定时器 1 的初始化程序 void timer init TMOD 0 x11 TL0 65535 A TH0 65535 A 8 TL1 65535 A TH1 65535 A 8 ET0 1 ET1 1 EA 1 TR0 1 定时器 0 和定时器 1 实现 PWM 波输出 输出口是 P1 0 口 可改变 void timer0 ISR interrupt 1 TL0 65535 A TH0 65535 A 8 n1 创新设计 11 if n1 100 n n1 0 TR0 0 DB1 0 TR1 1 void timer1 ISR interrupt 3 TL1 65535 A TH1 65535 A 8 n2 if n2 n n2 0 TR1 0 DB1 1 TR0 1 4 24 2 数字数字 PIDPID 算法程序设计算法程序设计 系统控制可以选用模拟控制和数字控制两种方式 比较之下 数字控制系 统结构简单并且能够实现较复杂的控制规律 从而达到精确控制被控对象的目 的 本次设计选用数字控制的方法 以 AT89C52 为核心 用程序实现 PID 控制 规律控制被控对象 PID 控制不需要了解被控对象的数学模型 只需要根据经验调整控制器参 数 便可获得满意的结果 计算机进入控制领域后 用计算机实现 PID 控制 创新设计 12 把 PID 控制规律进一步与计算机的强大运算能力 存储能力和逻辑判断能力结 合起来 使 PID 控制更加灵活 参数整定和修改更为方便 更能够满足对控制 系统提出各种各样的要求 增量式 PID 算法表达式为 u k Kp e k e k 1 Ki e k Kd e k 2 e k 1 e k 2 采用 PI 控制 即 Kd 0 相关的程序代码如下 void PID E K GD sp GD 为给定转速数值 sp 为采集回的转速数值 U K U K 1 KP E K E K 1 KI E K U K 1 U K E K 1 E K 控制量 U K 去改变 n 的值 从而改变 PWM 占空比 进而实现改变转速 4 34 3 速度采集模块程序设计速度采集模块程序设计 AT89C52 的定时器 2 具有捕捉功能 利用编码盘旋转和光电耦合器提供的 电平变化信号让定时器 2 连续捕捉 计算出相邻两次的时间差 便可通过这个 时间差计算出此时的转速的大小 定时器 2 的中断服务程序通过采集两个脉冲的时间间隔 sp sp 可直接反 应转速 void timer2 ISR interrupt 5 TR2 0 num if num 1 sp1l RCAP2L 创新设计 13 sp1h RCAP2H 第一个下降沿来时捕捉定时器 2 寄存器的值 else num 0 sp2l RCAP2L sp2h RCAP2H 第二个下降沿来时再次捕捉定时器 2 寄存器的值 sp sp2h 256 sp2l sp1h 256 sp1l 对两次捕 捉回来的值求差 算得时间间隔 对应速度 TL2 0 TH2 0 TR2 1 4 44 4 按键设定程序设计按键设定程序设计 void key scan if s1 0 fl 1 while fl 1 if s4 0 fl 0 P1 0 xfe if s2 0 消除抖动 delay 1 if s2 0 a a 用来计 s2 按键按的次数 奇数次显示个位 偶数次显 创新设计 14 示十位 当计数到 11 重新设为 1 if a 11 a 1 if s2 0 if a 2 1 display k1 0 delay 30 while s3 0 if s3 0 k1 if k1 10 k1 0 else display k2 1 delay 30 while s3 0 if s3 0 k2 if k2 10 k2 0 创新设计 15 speeddis N delay 30 4 54 5 速度显示模块程序设计速度显示模块程序设计 void display int x int y dula 1 P0 table x dula 0 delay 1 wela 1 P0 table1 y wela 0 delay 60 速度实时显示函数 void speeddis int x int ge shi ge x 10 shi x 10 display ge 3 display shi 2 创新设计 16 5 5 总结总结 通过本次创新设计 我学到了很多以前没有学到的东西 我们平时在课本 上学到的只是理论 然而只有通过实践才能真正发现问题的所在 实践才是检 验真理的唯一标准 我在此次创新设计中收获了不少 现总结如下 首先 老师给我们做了一个创新设计的安排 然后就开始自己的创新设计 了 我做的题目是直流电动机调速系统设计 刚开始的时候 面临着很多的问 题 有很多东西都忘了 还有的软件不会使用 比如说 VISIO 软件 为此 我 就到图书馆查资料 自己摸索怎么使用 如果还不会的就请教同学 和同学一 块探讨 通过自己的努力 以及到图书馆和上网查阅资料 我对创新设计有了 重新的认识 对 51 单片机和调速系统有了更深刻理解 实现了真正实践的目的 在理论学习的过程中 我只是简单地学到了一些理论知识 但是在实际的设计 过程中才发现理论与实际之间存在巨大差别 我们在课堂上 掌握的仅仅是专 业基础课的理论 如何去锻炼我们的实践的一面 如何把我们所学到的专业基 础理论知识用到实践中去呢 我想做类似的设计就为我们提供了良好的实践平 台 在做本次设计的过程中 我感触最深的就是查阅了大量的资料和学会了用 VISIO 软件 为了让我的设计更加完善 更加符合标准 一次次翻阅书籍是十 分必要的 同时也是必不可少的 在学习理论知识的同时也要参加实践活动 把课本上的知识运用到社会实践当中去 也是我们学习专业理论知识的最终目 的 由于之前也做过类似的创新设计 所以为这次设计奠定过一定的基础 但 对于我来说 收获最大的是分析和解决问题的能力 以及和同学合作解决问题 的能力 在整个创新设计的过程中 我发现自己在经验方面还是有点缺乏 理 论的知识不足 有些东西与实际脱节 还有自己对一些常用的软件使用的还不 是很熟练 但总体来说 这次创新设计对我的帮助还是很大的 它需要我们将 学过的相关知识系统地联系起来 并借助于其他软硬件条件设计一个控制器出 来