陈振潘电力拖动自动控制系统课程设计报告.doc

姓名-学号成绩分组序号同组人员（签名）本人贡献排名指导教师（签名）本课程设计已经实现的功能：1. 设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；2. 显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；3. 测量马达的反电动势系数；4. 测量马达的力矩系数；5. 创建马达的数学模型；6. 实现比例控制；7. 实现比例积分控制；摘 要 本课程设计主要设计了一个以单片机为控制核心的直流电机控制系统。采用PWM 控制电机，提高了调速范围，精度，改善了快速性能、功率和功率因数。系统在设计中被控对象采用 的直流电机，以 12C5A60S2单片机为控制核心，采用 LCD12864 液晶作为显示元件，进行软硬件的设计。，主要设计了液晶显示电路、键盘控制电路、复位电路、测速电路和驱动电路。软件设计在 Keil 开发平台用 C 语言编写，程序采用模块化设计方案，包括液初始化程序、液晶显示程序、键盘控制程序、电机控制程序等。本系统 PWM 控制直流电机采用调压调速的方法通过利用单片机产生 PWM 控制信号控制直流电机，详细介绍脉宽调制 ( PWM) 控 制原理，直流电机的工作原理和数学模型以及用 H型桥电路基本原理设计的驱动电路。 通过硬件电路的模拟情况，说明系统运行正常，各个功能模块实现是可行的，控制精度比较高，能够满足系统的基本要求。关键词： 单片机；PWM；直流电机 目录1. 直流电机闭环调速系统的设计任务11.1. 任务总述11.2. 设计任务12. 总体方案设计与实现12.1. 总体方案设计13. 硬件设计23.1. 单片机系统的设计23.2. STC12最小系统23.3. 直流电机基本工作原理53.4. L298N电机驱动模块83.5. 12864液晶显示模块113.6. 测速模块134. 软件设计154.1. 主程序154.2. 初始化模块程序设计154.3. 测速模块程序设计164.4. 电机控制模块程序设计184.5. PWM程序设计204.6. 菜单程序设计204.7. 按键程序设计235. 直流电机数学模型的建立246. 数据处理与调速数据286.1. 电机的反电动势系数286.2. 电机的力矩系数296.3. 比例调速数据296.4. PID调速数据297. 系统调试307.1. 硬件调试307.2. 软件调试308. 心得体会309. 参考文献3210. 致 谢3311. 附录：部分程序341. 直流电机闭环调速系统的设计任务1.1. 任务总述本课题主要目的是以单片机为核心设计出一个直流电机控制系统。本系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制单元，通过与12864液晶显示模块、L298N电机驱动模块、键盘扫描模块、测速模块、PWM调节模块、电机控制模块等组成一个直流电机的控制系统，能实现对直流电机的正反转、加减速、比例控制调速和PID控制调速等功能。通过比例控制、与PID控制，本系统能比较精确地控制直流电机的转速。1.2. 设计任务1.设置有正转按键、反转按键、加速按键、减速按键；2.显示马达的运行状态（正转、反转、停止），显示转速；3.测量马达的反电动势系数；4.测量马达的力矩系数；5.创建马达的数学模型；6.实现比例控制；7.实现比例积分控制；8.缓存马达动态过程运行数据，并上传到PC机绘出动态过程 曲线。2. 总体方案设计与实现2.1. 总体方案设计直流电机调速控制采用脉宽调制(pulse width modulation，简称PWM)。因为该调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，硬件比较简单，运算速度快，精度高。使用H型全桥式驱动电路为直流电机驱动电路。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。用测速码盘编码器对直流电机的进行测速，并将速度显示在液晶显示器上，同时将转速反馈给单片机实现对电机转速的闭环控制。设置功能键盘，可通过按键实现对电机转速的设定以及调节控制。3. 硬件设计3.1. 单片机系统的设计单片机系统的设计流程图如下所示：显示器单片机核心H桥隔离直流马达测速码盘编码器脉冲键盘和开关电源12864液晶STC12C52A图3-1 单片机系统设计3.2. STC12最小系统(1) STC12C5A60S2芯片STC12C5A60S2不但和8051指令、管脚完全兼容，而且速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合，其片内的具有大容量程序存储器60K FLASH ROM，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。STC系列单片机支持串口程序烧写，对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。以下是STC12C5A60S2的功能：1) 增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2) 工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）；3) 工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0420MHz；4) 用户用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；5) 片上集成1280字节RAM；6) 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma；7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8) 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；9) 看门狗；10) 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；11) 外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%，3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%；12) 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；13) 共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；14) 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；15) 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2)，CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)；16）PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）也可用来当2路D/A使用 也可用来再实现2个定时器 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；17） A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)；18） 通用全双工异步串行口(UART)，由STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；19） STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志 的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)， TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；20） 工作温度范围：-40 - +85(工业级) / 0 - 75 (商 业级)21.封装：PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。图3-2 12C5A60S2芯片（2） 复位电路单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图3-3所示。图3-3 复位电路接线图（3） 系统时钟电路单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如图所示，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，本系统采用12MHz的晶振。补偿电容通常选择20-30pF左右的瓷片电容。 （4）最小系统原理图图 3-4 最小系统原理图3.3. 直流电机基本工作原理 （1）直流电机的基本结构直流电机的基本结构图见图3-5：图3-5 直流电机的基本结构 （2）直流电动机的参数特性1)感应电势E （3-1）式中: -电动势(V); 一对磁极的磁通(Wb);-电枢转速(r/min); -与结构有关的常数.2)电磁转矩T （3-2）式中:-电磁转矩(Nm); 一对磁极的磁通(Wb);-电枢电流(A); -与结构有关的常数.3)直流电动机电枢电压平衡方程式 （3-3）为电枢电阻4)直流电动机机械特性的一般表达式 （3-4） （3） 直流电机的机械特性曲线直流电机的机械特性曲线如下图3-6所示：TNTn 0nN图3-6 直流电机的机械特性曲线转速下降的原因：电机带负载匀速运行时，TeTL，若负载TL增加，则电机的输出电磁转距Te也要随之增加，也即电枢电流Ia增大。那么电枢绕组的内阻所消耗的压降IaRa增加，所以转速n下降。 （3-5） （4）永磁直流电机调速调压调速通：过改变输入电压实现调速，如图3-3所示。n 0n 1n 2n 3UNU1U2U3UN U1 U2 U3UNn图3-7降压调速原理3.4. L298N电机驱动模块 （1）H型全桥式驱动电路直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式驱动电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图所示。MNET1NET0NET0NET1V3V1V4V2VCC图3-8 H型桥式驱动电路 H型全桥式驱动电路的4只三极管都工作在斩波状态，V1、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当V1、V4导通时，V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当V2、V3导通时，V1、V4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在直流电机运转的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在V1、V4导通且V2、V3关断，到V1、V4关断且V2、V3导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。图3-9 L298N芯片逻辑结构引脚说明见表3-1：表3-1 MW.15NameFunction1;15Sense A; Sense B在这个引脚和低之间可以接感应电阻用于控制负载电流2;3Out 1; Out 2A桥的输出端口；流经这两个端子连接的负载电流在端子1被检测4VS用于驱动负载的功率输出电源电压。在这个引脚和地之间必须接一个100nf的无极性电容5;7Input 1; Input 2A桥TTL输入端6;11Enable A; EnableBTTL使能输入端：低电平使桥A或桥B无效8GND地9VSS逻辑模块的电源供应。引脚与地间必须接一个100nF的电容10; 12Input 3; Input 4B桥TTL输入端13; 14Out 3; Out 4B桥的输出；流经这两个端子连接的负载电流在端子15被检测极限参数： 表3-2Vs：功率电源50VVss：逻辑电源电压7VVi、Ven：输入和使能电压-0.37VIo：最大输出电流（每个通道）无重复重复直流操作3A2.5A2AVsens：感应电压-12.3VPtot：总的功率耗散（温度达到75度）25WTop：结操作温度-25130度Tstg、Ti:储存和结温度-40150度芯片引脚图如图3-10所示:图3-10 L298N芯片引脚功能图3-11 L298N芯片引脚接线图3.5. 12864液晶显示模块（1）芯片介绍LCD12864液晶显示器如下图所示：图3-12 LCD12864液晶显示器引脚功能：LCD12864及其兼容控制驱动器的引脚功能如下：表 3-3 LCD12864及其兼容控制驱动器的引脚功能引脚符号状态引脚名称功能CS1，CS2，CS3输入芯片片选段CS1和CS2低电平选通，CS3高电平选通E输入读写时能端在E下降沿，数据被锁存（写）入LCD12864及其兼容控制驱动器；在E高电平期间，数据被读出R/W输入读写选择信号R/W=1，为读选通，R/W=0，为写选通，D/I输入数据、指令选择信号D/I=1为数据操作D/I=0为写指令或读状态DB0DB7三态数据总线RST输入复位信号复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为0。RST可跟MPU相连，由MPU控制；也可直接接Vcc，使之不起作用。 （2）原理图LCD12864接线原理图如下：图3-13 LCD12864接线图3.6. 测速模块 本系统采用对射式光电开关测速，通过两个对射式光电开关之间的距离，以及测量运动物体通过两个光电开关的次数，然后做除法而得到其平均速度的测速方法。当无遮挡对射式光电开关时，红外对射式光电开关的接收端输出高电平信号，当有物体经过无遮挡时，对射式光电开关的接收端输出低电平信号。其工作原理图如图所示。图3-14光电开关工作原理图 由于光电开关输出的电压太低，本系统采用了8050三极管放大电路对输出信号进行放大。电路图如图所示。图3-15 测速电路接线图4. 软件设计4.1. 主程序图4-1 主程序流程图4.2. 初始化模块程序设计初始化模块主要是将程序中要进行初始化的各个子程序模块进行初始化，以便它们能正常工作，本系统中对测速模块、PWM输出模块和液晶显示模块进行了初始化，其子流程图如图4-2所示。图4-2 初始化模块流程图图4-3 初始化模块子程序4.3. 测速模块程序设计测速模块中主要用到定时器T0和计数器T1来辅助测速，当定时器T0定时1秒钟后，用公式：电机转速=（T1计数数值/每转脉冲数）*60 对计数器T1里面的数据进行处理，从而得到电机的每分钟的转速，其流程图如图4-2所示。图4-2 测速模块流程图其程序如下：（1） 定时器计数器初始化 void measure_speed_init()TMOD=0x51;TH0=(65536-46080)/256;TL0=(65536-46080)%256;TH1=0;TL1=0;EA=1;ET0=1;ET1=1;TR0=1;TR1=1; （2） 测速函数，每分钟转速 void measure_speed() if(minute_flag=1)TR1=0;minute_flag=0;TL1=0; TH1=0;TR1=1;（3） T0定时中断服务程序void timer0() interrupt 1 using 1TH0=(65536-46080)/256;TL0=(65536-46080)%256;timer0_num+;if(timer0_num=20)motor_speed=(TH1*256+TL1)/41.0)*60.0;TL1=0; TH1=0;timer0_num=0; 4.4. 电机控制模块程序设计电机控制模块主要判断电机状态是否有变化，如果有变化则更新电机的状态，其流程图与程序如下所示。图4-3 电机控制模块流程图图4-4 电机控制模块子程序4.5. PWM程序设计本系统采用STC12C5A芯片自带的PWM模块对电机的速度进行调节控制。单片机产生PWM的程序如下：sfr CCON=0xD8; /PCA控制寄存器sbit CCF0=CCON0; /PCA module-0中断标志sbit CCF1=CCON1; /PCA module-1 interrupt flagsbit CR= CCON6; /PCA定时器运行控制位sbit CF=CCON7; /PCA timer overflow flagsfr CMOD=0xD9; /PCA mode registersfr CL=0xE9; /PCA base timer LOWsfr CH=0xF9; /PCA base timer HIGHsfr CCAPM0=0xDA; /PCA module-0 mode registersfr CCAPM1=0xDB; /PCA module-1 mode registersfr PCAPWM0=0xf2;sfr PCAPWM1=0xf3;void pwm_init() CCON = 0;/Initial PCA control register CL = 0;/Reset PCA base timer CH = 0; CMOD = 0x00; /时钟源输入 系统时钟/2 CCAP0H = CCAP0L = 0xff;/开通端口输出占空比为0%的方波 CCAPM0 = 0x42;/PCA module-0工作在8位PWM模式没有PCA中断 CCAP1H = CCAP1L = 0xff; CCAPM1 = 0x42;/PCA module-0 CR = 1;/PCA定时器启动运行4.6. 菜单程序设计本系统提供多个菜单可供选择，方便使用者对直流电机闭环调速系统的控制。提供的菜单有：1） 基本菜单：通过按键能实现对电机正转、反转、停止状态的设定，显示电机当前档位和转速。2） 比例控制菜单：通过按键能对电机的转速进行设定，并显示电机经比例控制后的实时转速，与设定转速进行对比。3） PID控制菜单：通过按键能对电机的转速进行设定，并显示电机经PID控制后的实时转速，与设定转速进行对比。菜单程序如下：#includeMENU.h#includeMEASURE_SPEED.h#includeLCD12864.h#includeL298n.h#includeKEYSCAN.hunsigned char code table=0123456789;unsigned char display_motor_speed= ;unsigned char code san=0xc8,0xfd;unsigned char code zheng=0xd5,0xfd;unsigned char code motor_state10=电机,一档,档转,档转,一档,二档,三档;/ ,调节日期,调节小时,调节分钟,调节秒数void main_menu()switch(flag1)case 0: menu0();break;case 1: menu1();break;case 2: menu2();break;void menu0() DisplayTextLCD12864(0,0,=电机监控=);switch(flag2)case 0:DisplayTextLCD12864(0,2, );DisplayTextLCD12864(0,3, );DisplayTextLCD12864(0,1,);break;case 1:DisplayTextLCD12864(0,1, );DisplayTextLCD12864(0,3, );DisplayTextLCD12864(0,2,);break;case 2:DisplayTextLCD12864(0,1, );DisplayTextLCD12864(0,2, );DisplayTextLCD12864(0,3,); break;DisplayTextLCD12864(1,1,状态：);switch(flag3)case 0:DisplayTextLCD12864(4,1,停止);break;case 1:DisplayTextLCD12864(4,1,+ 转);break;case 2:DisplayTextLCD12864(4,1,反转);break;DisplayTextLCD12864(1,2,档速：);switch(stall_flag)case 0:DisplayTextLCD12864(4,2,0 档);break;case 1:DisplayTextLCD12864(4,2,1 档);break;case 2:DisplayTextLCD12864(4,2,2 档);break;case 3:DisplayTextLCD12864(4,2,3 档);break;DisplayTextLCD12864(1,3,转速：);getdisplaymotor_speed();DisplayTextLCD12864(4,3,display_motor_speed);4.7. 按键程序设计按键驱动函数放置于主函数的while大循环中，实现按键的实时检测。void matrix_key(void) /按键检测子程序if(key1=0)while(!key1);flagkey1=1;while(!key1);if(key2=0)while(!key2);flagkey2=1;while(!key2);if(key3=0)while(!key3);flagkey3=1;while(!key3);if(key4=0)while(!key4);flagkey4=1;while(!key1);if(key5=0)while(!key5);flagkey5=1;while(!key5);if(key6=0)while(!key6);flagkey6=1;while(!key6); 5. 直流电机数学模型的建立转速反馈直流调速系统的功率主电路是电力电子变换器和直流电动机，其中PWM控制器和变换器的近似传递函数如下：（5-1）他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如下：图5-1假定主电路电流连续，动态电压方程为：（5-2）忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程式为（5-3）式中 包括电动机空载转矩在内的负载转矩； 电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量；额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 （5-4） （5-5）式中 电动机额定励磁下的转矩系数（）， （5-5）再定义下列时间常数： 电枢回路电磁时间常数（s）， ； （5-6） 电力拖动系统机电时间常数（s）， （5-7）代入（5-2）和（5-3）式中，并考虑到（5-4）和（5-5）式，整理得 （5-8） （5-9）式中 负载电流（A）， （5-10）在零初始条件下，取等式两侧的拉普拉斯变换，得到电压和电流间的传递函数为 （5-11）动态结构图为图 5-2电流与电动势间的传递函数为 （5-12）动态结构图为 图5-3将图 （5-2）和图（5-3）合并，考虑到 ，即得额定励磁下的直流电动机的动态结构图图 5-4将扰动量 的综合点移前，进行等效变换，得直流电动机的动态结构框图的变换图5-5考虑到系统中的比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数如下放大器： （5-13）测速反馈： （5-14）综合上面，可得转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图如下图5-6其开环传递函数是 （5-15）设 =0，从给定输入作用上看，闭环传递函数是（5-16）6. 数据处理与调速数据6.1. 电机的反电动势系数表6-1 电机反电动势系数测量数据电机电压（V）空载电流（mA）转速（R/min）560160012804300241208600反电动势 （6-1）直流电动机电枢电压平衡方程式 （6-2）综合（6-1）（6-2）代入数据可得出反电动势系数：=电机内阻： 6.2. 电机的力矩系数由公式： （6-3）可计算出电机的力矩系数 6.3. 比例调速数据设置转速：1000R/MIN时间/S123456转速/R/MIN1134958100510031006992时间/S789101112转速/R/MIN9951003100499899710026.4. PID调速数据设置转速：1000R/MIN时间/S123456转速/R/MIN112096510509751010991时间/S789101112转速/R/MIN993995100610039979967. 系统调试7.1. 硬件调试（1）不接电源，仔细检查各输入/输出点是否接好接牢，地线是否接好；（2）用万用表检查实验板线路有没短路、开路、反接等现象。（3）接通电源，按动各个功能按钮，检查各个数码管能否按照要求正常显示；7.2. 软件调试（1）先按照要求认真程序，然后把程序下载到板上调试，直到符合设计要求。8. 心得体会通过这次的课程设计，我认识到在开始编程时，首先要把流程图设计好，这样才能思路清晰地把程序按步骤一步步设计设计出来，并且使得出现各种错误的几率大大减小，也有利于之后的程序调试。经过两周的课程设计，有很多新的感受和体会。这次采用的STC12C5A60S2单片机，程序存储空间达到了60KB，如此庞大的存储空间给了我们在程序上尽情发挥的空间。所以这次液晶显示屏采用了LCD12864，并为设计出简洁易看的菜单下了一番功夫。 总得来说吧，这次课程设计感觉是好的，因为我是一直在奋斗，在学习，不管做出来的作品怎么