基于TMS2812直流电机设计.doc

基于 TMS320F2812 的直流电动机控制 专业 学号 学生姓名 指导教师 摘要 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 本课程设 计主要是实现 PWM 调速器的正转 反转 加速 减速 停止等操作 并实现电路的 仿真 为实现系统的微机控制 在设计中 将 DSP 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 单片机在程序控制下 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 PWM 调速 正反转控制 仿真 1 目录目录 第一章第一章 概述概述 I 1 1 工程训练的目的 1 1 2 工程训练的要求 1 第二章第二章 方案的选择与确定方案的选择与确定 1 2 1 设计思路 1 2 2 基本原理 1 2 3 总体设计框图 1 第三章第三章 直流电机单元电路设计与分析直流电机单元电路设计与分析 2 3 1 总电路图 2 3 2 总电路功能介绍 2 3 3 直流电机驱动模块 7 3 4 直流电机的中断键盘控制模块 9 3 5 直流电动机的硬件原理图 1 第四章第四章 软件设计软件设计 1 4 1 软件流程图 1 4 2 源程序设计 1 第五章第五章 PCBPCB 绘制与电路板制作绘制与电路板制作 1 5 1 PCB 板的制作流程图 1 5 2 生成 PCB 图及制版 2 第六章第六章 功能的实现与测试报告功能的实现与测试报告 11 总结总结 22 参考文献资料参考文献资料 23 2 第一章第一章 概述概述 1 1 工程训练的目的 1 学习用C 语言编制中断程序 控制F2812 DSP 通用I O 管脚产生不同占空比的PWM 信号 2 学习 F2812DSP 的通用 I O 管脚的控制方法 3 通过 C 语言编程控制控制 I O 管脚产生不同占空比的 PWM 信号 4 通过直流电机 PWM 控制系统实现直流电机的加速 减速以及电机的正转和反转 并且可以调整电机的转速 5 学习直流电机的控制原理和控制方法 1 2 工程训练的要求 本课程设计主要是实现 PWM 调速器的正转 反转 加速 减速 停止等操作 并实现 电路的仿真 为实现系统的微机控制 在设计中 将 DSP 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 片机在程序控制下 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 1 通过直流电机 PWM 控制系统实现直流电机的加速 减速以及电机的正转和反转 并且 可以调整电机的转速 2 电路图设计标准 完全 3 元器件安装规范 焊接到位 外观优美 3 第二章第二章 方案的选择与确定方案的选择与确定 2 1 设计思路 方案说明 通过 C 语言编程改变 pwm 波的占空比 将此 pwm 波从 I O 口输出到直流电 动机 从而改变其转速 通过引脚上给出高电平或低电平和逻辑电路来控制直流电机的方 向 单片机在程序控制下 定时不断给直流电机驱动芯片发送 PWM 波形 H 型驱动电路完 成电机正 反转控制 2 2 基本原理 2 2 1 TMS320F2812DSP 的McBSP 引脚 通过设置 PWM11 和PWM5 的工作方式和状态 可以实现将它们当成通用I O 引脚使用 2 2 2 直流电机控制 直流电动机是最早出现的电动机 也是最早能实现调速的电动机 近年来 直流电动机 的结构和控制方式都发生了很大的变化 随着计算机进入控制领域 以及新型的电力电子 功率元器件的不断出现 使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 Puls Width Modulation 简称PWM 控制方式已成为绝对主流 2 2 3 PWM 调压调速原理 对于直流电机来说 如果加在电枢两端的电压为 2 3 所示的脉动电流压 要求脉动电 压的周期远小于电机的惯性常数 可以看出 在 T 不变的情况下 改变 T1 和 T2 宽度 得 到的电压将发生变化 下面对这一变化进一步推导 图 2 3 施加在 电枢两端的脉动电压 设电机接全电压 U 时 其转速最大为 Vmax 若施加到电枢两端的脉动电压占空比为 D t1 T 则电枢的平均电压为 U 平 U D 式 1 4 由式 1 3 得到 n Ea Ce U D Ce KD 在假设电枢内阻转小的情况下式中 K U Ce 是常数 最大值Vmax 平均值Vd 最小值Vmin t1t2 T 图图1 1 3 3 P PW WM M调调速速原原理理图图 4 图 2 4 占空比与电机转速的关系 由图看出转速与占空比 D 并不是完全速的线性关系 图中实线 原因是电枢本身有电 阻 不过一般直流电机的内阻较小 可以近视为线性关系 由此可见 改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成 这就是直流电机 PWM 调 速原理 2 3 总体设计框图 VCC DIR PWM BRACK M VM 光 电路驱动 电荷泵电路 电 逻辑 隔 电路 驱动信号放大电路 离 H 桥功能驱动电路 电 路 5 第三章第三章 直流电动机单元电路设计与分析直流电动机单元电路设计与分析 3 1 总电路图 6 3 2 总电路功能介绍 主体电路 即直流电机 PWM 控制模块 这部分电路主要由单片机的 I O 端口 定时计 数器 外部中断扩展等控制直流电机的加速 减速以及电机的正转和反转 并且可以调整 电机的转速 还可以方便的读出电机转速的大小和了解电 机的转向 能够很方便的实现电机的智能控制 其间 还包括直流电机的直接清零 启动 置数 暂停 连续功能 其间是通过单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 TMS2812 来控制直流电机工作的 该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成 设计输入部分 这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现 设计控制部分 主要由单片机的外部中 断扩展电路组成 直流电机 PWM 控制实现部分 主要由一些二极管 电机和直流电机驱动 模块组成 3 3 直流电动机驱动模块 主要由一些二极管 电机和直流电机驱动模块 内含 CMOSS 管 三太门等 组成 现 在介绍下直流电机的运行原理 3 3 1 直流电机类型 直流电机可按其结构 工作原理和用途等进行分类 其中根据直流电机的用途可分为 以下几种 直流发电机 将机械能转化为直流电能 直流电动机 将直流电能转化为机械 能 直流测速发电机 将机械信号转换为电信号 直流伺服电动机 将控制信号转换为 机械信号 下面以直流电动机作为研究对象 3 3 2 直流电机结构 直流电机由定子和转子两部分组成 在定子上装有磁极 电磁式直流电机磁极由绕在 定子上的磁绕提供 其转子由硅钢片叠压而成 转子外圆有槽 槽内嵌有电枢绕组 绕组 通过换向器和电刷引出 直流电机结构如图 2 1 所示 7 图 2 1 直流电动机结构 3 3 3 直流电机工作原理 直流电机电路模型如图 2 2 所示 磁极 N S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体 圆柱 体的表面上固定着一个线圈 abcd 当线圈中流过电流时 线圈受到电磁力作用 从而产生 旋转 根据左手定则可知 当流过线圈中电流改变方向时 线圈的受方向也将改变 因此 通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向 图 2 2 直流电动机电路模型 3 3 4 直流电动机硬件原理图 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 8 3 4 直流电机的中断键盘控制模块 3 4 1 外部中断设置 1 外部中断允许设置 中断控制寄存器 IE 的 EX0 对应 INT0 EX1 对应 INT1 EA 为中断的总开关 若要开放 外部中断 只要将 IE 对应的位和总开关 EA 置 1 即可 如 开放外部中断 0 的设置 SETB EX0 SETB EA 开放外部中断 0 和 1 的设置 SETB EX0 SETB EX1 SETB EA 2 外部中断触发方式设置 单片机外部中断有两种触发方式 一种是电平触发方式 另一种是脉冲触发方式 单 片机外部中断触发方式与 TCON 的 IT 位有关 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 电平触发设置方法 CLR ITX 为低电平触发方式 脉冲触发设置方法 SETB ITX 1 为脉冲下降沿触发方式 在使用外部中断时 如果不进行设置 则为电平触发方式 3 外部优先级设置 9 外部中断 X0 0 X1 0 X2 0 X3 0 X4 0 停止操作 RETI 反转操作 RETI 正转操作 RETI 减速操作 RETI 加速操作 RETI 外部中断 IN0 INT1 的中断优先级的设置是通过设置 IP 寄存器实现的 IP 的 PX0 对 应 INT0 PX1 对应 INT1 PX 置 1 为高级中断 PX 为 0 为低级中断 PSPT1PX1PT0PX0 3 4 2 外部中断扩展方法 在图 3 3 为外部中断扩展方法 设 X1 X2 X3 X4 X5 为外部警情信号 X1 代表是加 速信号 X1 0 表示加速 X2 代表减速信号 X2 0 表示减速 X3 代表正转信号 X3 0 表示 正转 X4 代表反转信号 X4 0 表示反转 X5 代表停止信号 X5 0 表示停止处理 图 3 3 外部中断扩展电路 当系统检测到有中断请求时 响应如下中断服务流程图 3 4 10 图 3 4 中断服务流程 第四章第四章 软件设计软件设计 4 1 软件流程图 4 2 源程序设计 第五章第五章 PCBPCB 板的绘制与电路板的制作板的绘制与电路板的制作 5 1 PCB 板的制作流程图 11 设计绘制原理图 导成 PCB 图 打印输出 热转印纸 金属焊盘钻孔 腐蚀 留下电子线路 利用热转印法将 PCB 图转到敷铜板 焊接安装元器件 调试 成品 5 2 生成 PCB 图及制板 第六章第六章 功能的实现与测试报告功能的实现与测试报告 每个模块做好以后 就可以调用程序 直流电动机驱动模块程序已编写好 来调试功 能 如果能正常运行那就说明模块做的是正确的 相反 如不能正常实现功能就必须找出 其中存在的错误原因 要么是硬件电路错误 要么就是软件调用不当或是 I O 口设定存在 问题 因此在调试过程中必须仔细 对每一部分加以完善 12 最重要的是对其整体的调试 因此要对其内部地址进行分配 中断也要集中编写完善 主 程序编写相对复杂 所以要先把电机驱动弄好之后让电动机转动起来再添加调速部分 添 加键盘程序 使其能设定电机转速和方向 根据串行口调试工具能很好的实现实验设计要 求 通过 PWM 控制使电动机能够正转反转 并实现加速减速的功能 最后 调试成功 交 作品 总结总结 通过这次对 TMS2812 的直流电动机控制的设计与制作过程 加强了我们动 手 思考和解决问题的能力 实现 PWM 调速器的正转 反转 加速 减速 停 止等操作 并实现电路的仿真 为实现系统的微机控制 在设计中 将 DSP 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 单片机在程序控制下 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 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知 识是远远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得出结 论 才能真正为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中遇到问题 可以说得是困难重重 难免会遇到过各种各样的问 题 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处 对以前所学过的知识理解得 不够深刻 掌握得不够牢固 这次课程设计终于顺利完成了 在设计中遇到了很多专业知识问题 最后 在老师的辛勤指导下 终于游逆而解 同时 在老师的身上我们学也到很多实 用的知识 在次我们表示感谢 同时 对给过我帮助的所有同学和各位指导老 师再次表示忠心的感谢 13 参考文献参考文献 1 赵全利 肖兴达等 单片机原理及应用教程 第二版 M 北京 北京机械工业出版社 2007 7 2 熊年禄 数字电路 M 北京 北京邮电大学出版社 2010 6 3 康华光 模拟电子技术基础 第五版 M 北京