基于单片机的直流电机调速系统的课程设计

一、总体设计概述本设计以8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件，L298N为DC伺服电机的驱动芯片。采用脉宽调制调速方法控制DC电机的转速。同时，矩阵键盘可以用来控制电机的启动、加速、减速、换向、制动等操作。液晶屏显示速度的变化值。二、DC电机调速原理根据不同的励磁方式，DC电机可分为自励磁和其他励磁两种类型，它们的机械特性曲线不同。但是，对于DC电机的转速，以下公式总是满足的：n=UCe-RaTCe其中U电压；Ra励磁绕组本身的内阻；每极磁通量(WB)；电势常数；Ct扭矩常数。从以上公式可以看出，DC电机的速度控制可以是电枢控制或磁场控制。磁场控制方法控制磁通量。虽然它的控制功率很小，但在低速时受到磁场和磁极饱和的限制，在高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制。此外，由于励磁线圈电感大，动态响应差，电枢控制方法在工业生产中普遍使用。电枢控制方法在励磁电压不变的情况下，向电机的电枢施加控制电压信号，以控制电机的转速。传统的变压方法是在电枢电路中串联一个电阻，通过调节电阻来改变电枢电压，达到调速的目的。这种方法效率低，平滑性差。由于串联电阻消耗电能，经济效益低，转速越慢，能耗越大。随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。例如，电源由交流电源提供，晶闸管整流器用于相位控制电压调节。脉宽调制电压调节等。调压调速法具有高平滑度、低能耗和高精度的优点，在工业生产中应用广泛，其中脉宽调制应用更为广泛。脉宽调速使用固定的频率来控制电源的开或关，并通过改变一个周期中“开”和“关”的持续时间来改变平均电压，即改变DC电机电枢上电压的“占空比”，从而控制电机的转速。因此，脉宽调制也被称为“开关驱动装置”。如果电机始终连接到电源，则电机的最大转速为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速为Vd=Vmax*D，这表明只要占空比D改变，电机的速度就可以调节。平均转速Vd和占空比的函数曲线近似为直线。三、系统硬件设计1.调速系统的总体分析与设计以单片机为控制核心，用H桥电路芯片L298完成电机驱动主电路，霍尔元件构成速度采集电路并转换成脉冲电路，脉宽调制模拟发生器通过液晶显示器和34键盘输出电机转速，形成人机接口电路，实现启动、加速、减速、倒车和制动功能。整体硬件电路设计：80C51单片机(速度测量、计算、输入设置和系统控制)单片微型计算机(脉宽调制模拟发生器)直流电动机霍尔速度采集电路L298N电机驱动电路力矩阵列键盘液晶显示器图1:总体方案框图2.脉宽调制信号产生电路脉宽调制(脉宽调制)是一种电压调节方法，它通过用固定电压控制DC电源的开关频率来改变负载上的电压，从而满足控制要求。脉宽调制可以应用于许多方面，如电机速度控制、温度控制、压力控制等。在脉宽调制驱动控制调节系统中，电源以固定的频率打开和关闭，并且一个周期中“打开”和“关闭”的持续时间根据需要而改变。通过改变DC电机电枢上电压的“占空比”，达到改变平均电压的目的，从而控制电机的转速。正因为如此，脉宽调制也被称为“开关驱动器”。如同从上述公式可以看出，当改变占空比D=t1/T时，可以得到不同的平均电机速度Vd，从而达到调速的目的。严格地说，平均速度Vd和占空比D不是严格的线性关系，但是在一般应用中，我们可以近似地将其视为线性关系。3.单元模块设计(一)驱动主电路模块功率放大驱动芯片有很多种。这次我们使用L298主芯片。L298N可以接受标准的TTL逻辑电平信号VSS，它可以连接到4.5 7 V的电压。四个引脚VS连接到电源电压，VS电压范围VIH为2.5 46 v。输出L298N引脚图电流可达2.5a，并可驱动感性负载。1英尺和15英尺管的发射极分别单独引出，与电流采样电阻连接，形成电流传感信号。L298可以驱动两个电机，电机可以分别连接在OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间。在这个实验装置中，我们选择驱动一个马达。引脚5、引脚7、引脚10和引脚12连接到输入控制电平，以控制电机的正向和反向旋转。EnA和EnB连接到控制使能终端，以控制电机的停止。在实际应用中，由于从强电流到弱电流的连接，为了保护电路，L298N的输入端in1和in2必须由图中所示的光耦合隔离电路隔离。图中的二极管用来消除电机的反电动势，保护电路，所以用整流二极管更合适。脉宽调制控制信号由in1和in2输入。如果in1处于高电平，当in2处于低电平时，电机处于正向速度，而in1处于低电平，当in2处于高电平时，电机处于反向速度。本设计中In2直接接地，即采用单向制动。如下图3所示：图3: L298驱动电路(2)人机界面电路接口电路的扩展80C51单片机和可编程并行I/O接口扩展接口8155A可以直接连接，无需增加任何逻辑器件。接口电路图如图3所示。在该图中，80C51单芯片P0输出的低8位地址直接连接到8155A的AD0-AD7，而无需增加另一个锁存器，即它既用作低8位地址总线，也用作数据总线。数据锁存器直接用8155A中的ALE锁存。8155A的CE端连接到P2.7，输入/输出端连接到p2.0。当P2.7为低电平时，如果P2.0=1，则接入8155A的输入/输出端口；如果P2.0=0，访问8155A的随机存取存储器单元，这样8155A的地址码可以如下获得：随机存取存储器字节地址7E007E00H输入/输出端口地址(命令/状态端口7F00H，PA端口7F01H，PB端口7F02H，PC端口7F03H，定时器低8位7F04H，定时器高8位7F05H)图4:人机接口电路矩阵键盘电路本设计采用4*3矩阵键盘，分别与P1端口相连，作为设定速度的输入。12个键的功能描述：0到9的10个数字键，下一个和ok两个功能键。连接到P1端口进行扫描。ok键是确认键。其功能是在设置参数后退出设置模式。当按下下一个键时，光标将切换到要设置的下一个位值。该电路如图5所示。图5:键盘电路(3)液晶显示电路与单片机的接口设计本设计中使用的液晶显示器是一个图形点阵液晶显示器，具有8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集。它主要由行驱动器/列驱动器和12832全点阵液晶显示器组成。可以完成图形显示，也可以显示7.52 (1616点阵)汉字。与外部中央处理器的接口以并行或串行模式控制。本设计采用并行控制。液晶显示器与单片机之间的通信接口电路如图2.6所示。采用直接连接方式。这种设计的优点是在不影响性能的情况下，不需要增加其他硬件，简化了电路，降低了成本。图6:液晶显示电路与单片机的接口(4)关键电路和消除抖动如图7所示，键盘中按键的开关状态通过特定电路被转换成高电平和低电平状态。如图8所示，钥匙关闭过程是由相应的输入/输出端口形成的负脉冲。关闭和释放过程都需要一定的过程来达到稳定。这个过程是高电平和低电平之间的不稳定状态，称为抖动。抖动的持续时间与开关的机械特性有关，一般在5毫秒到10毫秒之间。为了防止中央处理器多次处理按键闭合，应采取措施消除抖动。有两种方法可以消除抖动。一种是使用硬件电路，如滤波电路和双稳态电路。另一种通过软件实现，即当发现有按键时，延迟10 20秒来查询是否有按键。如果没有按键，最后的查询结果是干扰或抖动。如果按下一个键，关闭的键是稳定的，并且可以确定其键码。图7:按键电路图8电源模块线性三端稳压装置7805基本不受内部电流限制、过热保护和安全工作区保护的损坏。提供足够的散热片，保证最大输出电流为1.5A。电路简单、稳定、易于调试、价格低廉。它适用于对成本要求严格的产品。电路中几乎没有产生高频或低频辐射信号的元件。工作频率低，电磁干扰易于控制。磁珠用于隔离模拟接地和数字接地。电路如图9所示。图9:电源模块4.测速电路的设计速度检测电路由开关式霍尔传感器和磁钢组成，其电路图如图10所示。测量电机转速的第一步是将电机转速表示为可被单片机识别的脉冲信号，以便进行脉冲计数。霍尔元件作为转速测量系统的传感器，具有结构牢固、体积小、重量轻、使用寿命长、安装方便等优点。当电机转动时，驱动传感器产生相应频率的脉冲信号，脉冲信号经信号处理后输出到计数器或其他脉冲计数装置，测量转速。在此使用中，霍尔传感器3314固定在靠近反射式黑白码盘的孔板上，码盘用微磁钢固定。当码盘转动一次时，霍尔传感器输出一个电平信号，经电压比较器lm339放大后输入单片机进行处理。所谓磁钢是指磁钢是一种磁钢。在感应检测电路中，磁钢安装在电机的转轴上，霍尔传感器放置在转轴旁边。霍尔传感器连接在电路中。当磁钢随着转轴穿过霍尔传感器时，开关式霍尔传感器的工作原理就知道了，此时会输出一个低电平信号。当磁钢离开霍尔传感器时，它将输出高电平。这样，通过高低电平的转换，微控制器的转速可以在送入微控制器后进行测量。图10:霍尔传感器部分5.单闭环调速系统的PI控制模块采用PI调节器的单闭环速度反馈系统不仅保证了动态稳定性，而且保证了静态下没有静态误差，从而解决了动态和静态之间的矛盾。但是电流不能被限制。虽然电流负反馈可以限制启动电流，但启动电流仅在启动期间的某个时刻达到最大允许值，其余时间相对较小，启动过程缓慢。同时。他有柔软的机械特性，不适合调速。他想尽快开始这个过程。在整个起动过程中，电机应始终保持最大起动扭矩。从上面可以看出，实现理想过程的关键是控制电流波形。图12生产机械工程从图中可以看出，为了实现最佳的过渡过程，必须满足：在过渡过程中，尽量使电枢电流最大化，并在过渡过程结束时，使电枢电流尽快达到稳定值。为了使电枢电流PSW . 4(RS1=0)PSW . 3(RS0=0)；选择工作寄存器0组端口P0地址80HP1港地址90HP2港地址A0HP3港地址B0H堆栈(SP) 81H定时器/计数器控制TCON 88H定时器/计数器模式控制TMOD 89H定时器/计数器0低字节TL0 8AH高字节TH0 8CH定时器/计数器1低字节TL1 8BH高字节TH1 8DH中断1PI采样(ui)中断0A/D采样P1预置wP0测量值(测量值y)主程序：0000 AJMP START开始：CLR PSW.4CLR PSW.3选择工作寄存器0组CLR CMOV R0，4FHMOV，30HCLR 1:CLR A美国工业公司DJNZ R0，CLEAR1清除30-7FHSETB TR0；计时器/计数器0工作MOV TMODE，# 01H定时器/计数器在模式1下工作SETB环境署；完全中断开放SETB IT0；设置为下降沿触发器SETB IT1；将INT1设为下降沿触发器LJMP MAINCTCO解放运动党LCALL样本fosc=12兆赫兹，定时器/计数器用于计时50毫秒，R2用作计数器，初始值设置为14H。计时时间过后，会产生一个中断。对于执行的每个中断服务程序，计数器的内容递减1，当计数器的内容递减到0时，它是1。图12:系统主单片机的一般程序框图当系统启动时，主从微控制器初始化。主单片机检测按键是否被按下，执行按键子程序，将输入值传送给PID控制器，PID控制器计算并处理PID，计算PWM定时值，PID发出相应的