基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统课程设计.doc

1 运动控制系统运动控制系统 课程设计课程设计 题题 目目 基于单片机的直流伺服电机基于单片机的直流伺服电机 PWMPWM 控制系统控制系统 院系名称院系名称 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级 xxxxxx 学生姓名学生姓名 xxxxxx 学学 号号 xxxxxxxx 指导教师指导教师 石庆生石庆生 评语 成绩 2 摘摘 要要 单片机是应控制领域应用的要求而出现的 随着单片机的迅速发展 起应 用领域越来越广 尽管目前已经发展众多种类的单片机 但是应用较广 也是 最成熟的还是最早有 Intel 开发的 MCS 51 系列单片机 51 系列单片机 51 系 列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统 直流电机脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 简称 PWM 调速产生 于 20 世纪 70 年代中期 最早用于自动跟踪天文望远镜 自动记录仪表等的驱 动 后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展 PWM 技术得到了高速 发展 各式各样的脉宽调速控制器 脉宽调速模块也应运而生 许多单片机也 都有了 PWM 输出功能 而 MCS 51 系列单片机作为应用最广泛的单片机之一 却没有 PWM 输出功能 本课设采用配合软件的方法实现了 MCS 51 单片机的 PWM 输出调速功能 这对精度要求不高的场合时非常实用的 3 目目 录录 1 1 前言 前言 3 3 1 1 单片机的发展史 3 1 2 本设计任务 4 2 2 总体设计方案 总体设计方案 5 5 3 3 硬件电路设计 硬件电路设计 5 5 3 1 硬件组成 5 3 2 主要器件功能介绍 6 3 2 1 直流伺服电机简介 6 3 2 2 PWM 简介及调速原理 7 3 2 3 传感器选择 8 3 3 电路组成 9 3 3 1 晶振电路 9 3 3 2 复位电路 9 3 3 3 单相桥式整流电路 10 3 3 4 调制电路 10 4 4 系统软件设计 系统软件设计 1111 4 1 系统简介及原理 11 4 2 系统设计原理 11 4 3 程序流程图 13 5 5 建模 建模 1414 5 1 控制框图 14 5 2 参数计算 15 5 3 PWM 变换器环节的数学模型 16 5 4 仿真结果图 17 总总 结结 1818 参考文献参考文献 1818 附件附件 1 1 汇编设计 汇编设计 1919 附件附件 2 2 2121 0 1 1 前言前言 1 11 1 单片机的发展史单片机的发展史 单片机作为微型计算机的一个重要分支 应用面很广 发展很快 自单片机 诞生至今以发展为上百种系列的近千个分支 如果将 8 位单片机的推出作为起 点 那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段 1 第一阶段 1976 1978 单片机的控索阶段 以 Intel 公司的 MCS 48 的推出是在工控领域的控索 参与这一控索的公司还有 Motorola Zilog 等 都取 得了满意的效果 这就是 SCM 的诞生年代 单片机 一词由此而来 2 第二阶段 1978 1982 单片机的完善阶段 Intel 公司在 MCS 48 的 基础上推出了完善的 典型的单片机系列 MCS 51 它在以下几个方面奠定了典 型的通用总线型单片机体系结构 完善的外部总线 MCS 51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构 包括 8 位数据总线 16 位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口 CPU 外围功能单元的集中管理模式 体现工控特性的位地址空间及位操作方式 指令系统趋于丰富和完善 并且增加了许多突出控制功能的指令 3 第三阶段 1982 1990 8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出 阶段 也是单片机向微控制器发展的阶段 Intel 公司推出的 MCS 96 系列单 片机 将一些用于测控系统的模数转换器 程序运行监视器 脉宽调制器等纳 入片中 体现了单片机的微控制器的特征 随着 MCS 51 系列的广泛应用 许 多电气厂商竞相使用 80C51 为内核 将许多测控系统中使用的电路技术 接口 技术 多通道 A D 转换部件 可靠性技术等应用到单片机中 增强了外围电路 的功能 强化了智能控制的特征 4 第四阶段 1990 微控制器的全面发展阶段 随着单片机在各个领域 全面深入地发展和应用 出现了高速 大寻址范围 强运算能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片机 以及小型廉价的专用型单片机 1 21 2 本设计任务本设计任务 任务 单片机为控制核心的直流电机 PWM 调速控制系统 1 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 2 总体设计方案 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示 图 1 键盘向单片机输入相应控制指令 由单片机通过 P1 0 与 P1 1 其中一口 输出与转速相应的 PWM 脉冲 另一口输出低电平 经过信号放大 光耦传递 驱动 H 型桥式电动机控制电路 实现电动机转向与转速的控制 电动机的运 转状态通过数码管显示出来 电动机所处速度级以速度档级数显示 正转时 最高位显示 三 其它三位为电机转速 反转时最高位显示 F 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 0000 3 3 硬件电路设计 硬件电路设计 3 13 1 硬件组成硬件组成 本系统由 PC 机 MCS 51 单片机开发系统 PWM 脉宽调制控制板以及直流 伺服电动机等组成 具体相关硬件如下所示 单片机PWM 电机驱动 数码管显示 按键控制 2 二极管 1N4077 4 个 场效应管 2SJ50 4 个 非门 74LS04 1 个 与门 74LS08 2 个 电容 CAPACITOR 2 个 芯片 AT89C51 1 个 开关 BUTTON 3 个 直流伺服电动机 MOTOR 1 个 电阻 RES 4 个 电源 3 个 地 GROUND 4 个 如表 3 1 所示 硬件型号数量硬件型号数量 1N40774MOTOR1 2SJ504RES4 74LS041CAPACITOR2 74LS082GROUND4 AT89C511VCC3 BUTTON3 表 3 1 元件表 3 23 2 主要器件功能介绍主要器件功能介绍 3 2 13 2 1 直流伺服电机简介直流伺服电机简介 伺服电机也称执行电机 它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机 在 信号来到之前 转子静止不动 信号来到之后 转子立即转动 当信号小时 转子能即使自行停转 由于这种 伺服 性能 因此而得名 按照在自动控制系统中的功用所要求 伺服电机具备可控性好 稳定性高 和速应性强等基本性能 可控制性好是指寻好消失以后 能立即自行停转 稳 定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降 速应性强是指反应快 灵敏 直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件 对它的要求是要有下垂 的机械特性 线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应 该系统采用的是 电磁式直流伺服电动机 其型号为 45SY01 型 其转速 n 的计算公式如下 n E K Ua IaRa K 式中 n 为转速 为磁通 E 为电枢反电势 Ua 为外加电压 IaRa 为电枢电流和电 阻 3 直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较 直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同 只要在其励磁绕组中有电 流通过且产生了磁通 当电枢绕组中通过电流时 这个电枢电流与磁通互相作 用而产生转矩使伺服电机投入工作 这两个绕组其中的一个断电时 电动机立 即停转 它不象交流伺服电动机那样有 自转 现象 所以我们选择直流伺服 电动机来进行自动门的拖动 3 2 23 2 2 PWMPWM 简介及调速原理简介及调速原理 1 简介 PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术 即通过对一系列 脉冲的宽度进行调制 来等待地获得所需要波形 PWM 的一个优点是从处理器 到被控系统信号都是数字形式的 无需进行数模转换 让信号保持在数字形式 可将噪声影响降到最小 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 2 调速原理 占空比表示了在一个周期 T 里 开关管导通的时间与周期 的比值 其变化范围为 0 1 如图 2 1 在电源电压不变的情况下 电枢的端 电压的平均值 U 取决于占空比的大小 改变其值就可以改变端电压的平均值 从而达到调速的目的 在 PWM 调速时 占空比是一个重要的参数 以下是 3 种 方式都可以改变占空比的值 图 2 1 占空比示意图 计算公式 占空比 ton T a 定宽调频法 b 调宽调频法 c 定频调宽法 目前 在直流伺服电机的控制中 主要使用定频调宽法 3 与 V M 系统相比 PWM 调速系统有下列优点 4 由于 PWM 调速系统的开关频率较高 仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以 获得脉冲动很小的直流电流 电枢容易连续 系统的低速运行平稳 调速范围 较宽 可达 1 10000 左右 又由于电流波形比 V M 系统好 在相同的平均电流 即相同的输出转矩下 电动机的损耗和发热都较小 同样由于开关频率高 若与快速响应的电机配合 系统可以获得很宽的频 带 因此快速响应性能好 动态抗干扰能力强 由于电力电子器件只工作在开关状态 主电路损耗较小 装置效率比较高 3 2 33 2 3 传感器选择传感器选择 霍尔器件是一种磁传感器 按照霍尔器件的功能可将它们分为 霍尔线性器 件和霍尔开关器件 前者输出模拟量 后者输出数字量 可用于磁场的测量和 控制 霍尔器件具有许多优点 它们的体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 可达 1 MHz 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污 染或腐蚀 霍尔开关器件无触点 无磨损 输出波形清晰 无抖动 无回跳 位置重复精度高 此外 其工作温度范围宽 其中最常用的有以下几种 1 霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种 它是一种半导体器件 是利用霍尔效应制成的 当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中 即输出 霍尔电势信号 当其不受外磁场作用时 其输出端无信号 用霍尔元件作转子 位置传感器通常有两种方式 第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面 靠近霍尔元件并与之有一小间隙处 安装在与电机轴同轴的永磁体 对于两相 导通星形三相六状态无刷直流电机 三个霍尔元件在空间彼此相隔 120 电角 度 永磁体的极弧宽度为 180 电角度 这样 当电机转子旋转时 三个霍尔 元件便交替输出三个宽度为 180 电角 相位互差 120 电角的矩形波信号 第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧 靠铁心处 利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体 根据霍尔元件 的输出信号即可判断转子磁极位置 将信号放大处理后便可驱动逆变器工作 2 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器的定子由磁芯 高频激磁绕组和输出绕组组成 转子由 5 扇形磁芯和非导磁衬套组成 电机运行时 输入绕组中通以高频激磁电流 当 转子扇形磁芯处在输出绕组下面时 输入和输出绕组通过定 转子磁芯耦合 输出绕组中则感应出高频信号 经滤波整形和逻辑处理后 即可控制逆变器工 作 这种传感器具有较高的强度 可经受较大的振动冲击 故多用于航空航天 领域 电磁式位置传感器输出信号较大 一般不需要经过放大便可直接驱动开 关管 但此输出电压是交流 必须先整流 由于这种传感器过于笨重复杂 因 而大大限制了其在普通条件下的应用 3 33 3 电路组成电路组成 3 3 13 3 1 晶振电路晶振电路 图 2 3 1 晶振电路图 由两个电容和一个晶振组成 晶振频率为 12MHZ XTAL2 18 XTAL1 19 U1 X1 CRYSTAL C1 30pF C2 30pF C3 VCC 图 2 3 1 晶振电路图 3 3 23 3 2 复位电路复位电路 图 2 3 2 为复位电路图 由直流电源 电容和电阻组成 其主要功能是对 单片机进行复位功能 6 R410k C3 30u VCC VCC 图 2 3 2 复位电路图 3 3 33 3 3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 图 2 3 3 是单相桥式整流电路图 由 4 个场效应管 IGBT 和四个二极管组成 其功能是将交流电转化成直流电 其负载为伺服直流电机 通过门控信号的改 变可以调节电机的转速和转向 图 2 3 3 单相桥式整流电路图 3 3 43 3 4 调制电路调制电路 图 2 3 4 是调制电路图 由两个与门和一个非门组成 其功能主要是产生 PWM 脉冲来控制 IGBT 7 1 2 3 U2 A 74LS08 4 5 6 U2 B 74LS08 12 U3 A 74LS04 VCC VDD VCC VDD 图 2 3 4 调制电路图 4 4 系统软件设计 系统软件设计 4 14 1 系统简介系统简介及原理及原理 该课设是基于单片机利用脉冲宽度调制来控制伺服直流电动机的转速以及 转向 是一个典型的控制系统 脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的 当增加脉冲的 占空比 伺服直流电动机转速增加 反之 其速度降低 所以通过控制脉冲的 占空比可以控制伺服直流电动机的转速 单片机 AT89C51 其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号 并通 过固定程序 通过对信号的识别 输出相应的控制信号 采用 IGBT 作为开关器 件的单相桥式 PWM 逆变电路 以电动机作为负载 工作时 Q1 Q3 的通断状态互 补 Q2 Q4 的通断状态也互补 PWM 逆变电路中间是调制电路 输入信号分别是 信号波和载波 输出的信号分别送至 4 个 IGBT 的门极 对其控制 4 24 2 系统设计原理系统设计原理 1 正反转控制原理 该系统中利用开关 K3 控制伺服直流电动机的正反转 当开关闭合时既输入 信号为 1 通过单片机编程处理后 控制电动机的正转 反之 控制电动机的 反转 实现该功能的子程序为 LOOP JB K3 LOOPZF 高电平逆时针转 低电平顺时针转 8 CLR ZF 针转 LJMP LOOPK1 LOOPZF SETB ZF 2 加速控制原理 该系统中利用开关 K1 控制伺服直流电动机的加速 当开关闭合时既输入信 号为 1 通过单片机编程处理后 增加控制脉冲的占空比 从而增大了电动机 两侧的电压 使伺服直流电动机加速 反之 电动机保持匀速转动 实现该功能的子程序为 LOOPK1 JB K1 LOOPK2 K1 按下加速 LCALL DELAY MOV A PWML ADD A 1 调宽值低 4 位加 1 MOV PWML A MOV A PWMH ADDC A 0 调宽值高 4 位加 1 MOV PWMH A JNC LOOPK2 最大值时 MOV PWMH 0FFH 3 减速控制原理 该系统中利用开关 K2 控制伺服直流电动机的加速 当开关闭合时既输入信 号为 1 通过单片机编程处理后 减少控制脉冲的占空比 从而减小了电动机 两侧的电压 使伺服直流电动机减速 反之 电动机保持匀速转动 实现该功能的子程序为 LOOPK2 JB K2 OVER K2 按下减速 LCALL DELAY MOV A PWML CLR C SUBB A 1 调宽值低 4 位减 1 9 MOV PWML A MOV A PWMH SUBB A 0 调宽值高 4 位减 1 MOV PWMH A JNC OVER MOV PWMH 00H 最小值时 4 34 3 程序流程图程序流程图 由以下流程图可知 系统先检测开关 3 正反转开关 的信号 如果是 0 信 号 开的状态 则发出正转信号 电动机正转 反之电动机反转 检测完开关 3 接下来检测开关 1 加速开关 若信号为 1 关的状态 发出加速的信号 电动机加速 若信号为 0 开的状态 速度保持不变 再检测开关 2 减速开 关 若信号为 1 关的状态 发出减速的信号 电动机减速 若信号为 0 开 的状态 速度保持不变 系统一直对三个开关信号循环检测 循环的执行程序 10 开始 设置定时计 数器 K3 正转信号反转信号 K1 加速 增加计数器 K2 减速 减少计数器 高 低 N Y N 图 4 3 程序流程图 5 5 建模 建模 5 15 1 控制框图控制框图 根据设计要求 所设计的系统应为单闭环直流调速系统 选定转速为 反馈量 采用变电压调节方式 实现对直流电机的无极平滑调速 转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反 11 馈到输入端 再与给定值比较 经放大环节产生控制电压 再通过电力电子变 换器来调节电机回路电流 达到控制电机转速的目的 这里 电压放大环节采 用集成电路运算放大器实现 主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供 给 有了原理图之后 把各环节的静态参数用自控原理中的结构图 5 1 表示 就得到了系统的稳态结构框图 图 5 1 单闭环直流调速系统稳态结构框图 同理 用各环节的输入输出特性 即各环节的传递函数 表示成结构 图形式 就得到了系统的动态结构框图 由所学的相关课程知 放大环节可以 看成纯比例环节 电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节 这里把 它看作一阶惯性环节 而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节 所以 可以得到 5 2 的框图 图 5 2 单闭环直流调速系统动态结构框图 5 25 2 参数计算参数计算 设计完系统框图 就可以用已知的传递函数结合设计要求中给定的参 数进行对系统静态和动态两套参数的计算 以便于后续步骤利用经典控制论对 系统的分析 为了方便以下的计算 每个参数都采用统一的符号 这里先列出 设计要求中给出的参数及大小 12 N a dN N n Ce RIU 电动机 PN 10kw UN 220v IdN 55A nN 1000rpm Ra 0 5 晶闸管整流装置 二次线电压 E2l 230v Ks 44 主回路总电阻 R 1 测速发电机 PNc 23 1kw UNc 110v IdN 0 21A nNc 1900rpm 系统运动部分 飞轮矩 GD2 10Nm2 电枢回路总电感量 要求在主回路电流为额定值 10 时 电流仍连续 生产机械 D 10 s 5 1 静态参数设计计算 A 空载到额定负载的速降 nN 由公式 其中 D s 已知 得 nN 5 26rpm B 系统开环放大倍数 K 由公式 由公式 算出 Ce 0 1925Vmin r 得 K 53 3 C 测速反馈环节放大系数 a 设 测速发电机电动势系数 UNc nNc 0 0579 Vmin r 测速发电机输出电位器 RP2 分压系数 a2 根据经验 人为选定 a2 0 2 则 a Cec a2 0 01158 2 RP2 的选择主要从功耗方面考虑 以不致过热为原则 D 运算放大器的放大系数 Kp 由公式 其中 即 a Kp 20 14 取 Kp 21 若向小方向取 可能影响快速性 由于后加限幅电路 略大无 妨 此处的近似 使 k 由 53 3 变为 55 58 1 e d KC RI n 1 N N sn sn D e sp C KK K 13 2 动态参数设计计算 在经典控制论中 动态分析基于确定系统的传函 所以要求出传函并 根据已知求的传函中的未知参数 再用劳斯判据得出系统稳定性 在稳定的基 础上再加校正以优化系统 使稳 准 快指标平衡在要求范围内的值上 5 35 3 PWMPWM 变换器环节的数学模型变换器环节的数学模型 图 5 3 绘出了 PWM 控制器和变换器的框图 其驱动电压都由 PWM 控制器发 出 PWM 控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致 按 照上述对 PWM 变换器工作原理和波形的分析 不难看出 当控制电压改变时 PWM 变换器输出平均电压按线性规律变化 但其响应会有延迟 最大的时延是 一个开关周期 T PWM 变换器 PWM 控制器 UcUg Ud 图 5 3 PWM 变换器环节框图 根据其工作原理 当控制电压改变时 PWM 变换器的输出电压要到下一 C U 个周期方能改变 因此 脉宽调制器和 PWM 变换器合起来可以看成一个滞后环 节 它的延时最大不超过一个开关周期 T 则 当整个系统开环频率特性截至 频率满足因此 PWM 控制与变换器 简称 PWM 装置 也可以看成是一个 c 3T 滞后环节 其传递函数可以写成 s d ss c e T s Us W sK Us 当开关频率为 10kHz 时 T 0 1ms 在一般的电力拖动自动控制系统中 时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节 因此 P W s s1 K T Kp 脉宽调制器和 PWM 变换器的放大系数 14 5 45 4 仿真结果图仿真结果图 下图是系统的仿真图 图中左下方是三个控制开关 分别控制直流伺服电 动机的正反转 加减速 开关按下时 是高电平信号 开关开时 是低电平信 号 信号为高电平时有效 开关右侧的单片机 AT89C51 其主要功能就是将 开关的模拟信号转化成数字信号 并通过固定程序 通过对信号的识别 输出 相应的控制信号 系统图的最右侧是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式 PWM 逆 变电路 以电动机作为负载 工作时 Q1 Q3 的通断状态互补 Q2 Q4 的通断状 态也互补 PWM 逆变电路下方是调制电路 输入信号分别是信号波和载波 输 出的信号分别送至 4 个 IGBT 的门极 对其控制 图 5 4 仿真结果图 15 总总 结结 通过此次课程设计 使我更加扎实的掌握了有关电机技术方面的知识 在 设计过程中虽然遇到了一些问题 但经过一次又一次的思考 一遍又一遍的检 查终于找出了原因所在 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足 实践出真知 通过亲自动手设计与仿真调试 使我们掌握的知识不再是纸上谈 兵 本设计的中心思想就是结合各课的知识 来完成一个综合的设计 通过单 片机产生 PWM 脉冲 来控制单相桥式整流电路 从而实现了对直流伺服电动机 的调速控制 在今后的学习中 我不但要将理论知识学好 还要将其应用到实践 并且 将各科知识联系起来应用 16 参考文献参考文献 1 蒋辉平 基于 Proteus 的单片机系统设计与仿真实例 M 机械工业出版 社 2009 2 李群芳 单片微机计算机与接口技术 M 北京 电子工业出版社 2008 3 余国卫 单片