PWM控制直流电动机转速报告

2011年全国大学生电子设计竞赛DC电机速度的脉宽调制控制(专题一)高等职业集团2011年9月6日摘要本设计的主要功能是通过DC电机的脉宽调制控制系统实现DC电机的加速、减速、正转、反转和急停，并能调节电机的转速，便于实现电机的智能控制。主要采用DC电机脉宽调制调速系统，以AT89S52单片机为控制核心，由命令输入模块、液晶显示模块和电机驱动模块组成。带有中断的独立键盘用作命令的输入。在程序的控制下，单片机定期向L298 DC电机驱动芯片发送脉宽调制波形的H型驱动电路，完成电机的正向、反向和紧急停止控制。同时，单片机连续向液晶显示器1602发送脉宽调制占空比，完成实时显示。关键词：DC汽车；脉宽调制；控制。摘要本设计主要是为了实现的功能是，通过直流电机的脉宽调制控制系统，实现直流电机的调速，电机和减速器同时前进、后退和停止，并且可以调节电机的转速，可以方便地实现对机器的智能控制。主要采用直流电机脉宽调制调速系统AT89S52单片机为控制核心，由命令输入模块、液晶显示模块和电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令输入，单片机在程序控制下，定时、不断地发送直流电机驱动芯片L298的脉宽调制波形H驱动电路来完成电机的正反转和停止控制，同时单片机的脉宽调制占空比到液晶显示器LCD1602来完成实时显示。关键词：直流电机；脉宽调制。控制。内容一、系统规划设计与分析41系统的总体框图42方案论证和选择42.1控制模块4的演示和选择2.2输入模块的演示和选择42.3显示模块5的演示和选择2.4传感器的演示和选择53理论分析和计算53.1脉宽调制速度调节原理53.2脉宽调制调速方法62.硬件电路设计61控制系统62驱动模块73显示模块83.软件设计91程序流程图4.调试结果和分析105.组件列表126参考文献12七.摘要12附录一：示意图13附录二：源程序14系统计划的设计与分析1系统总体框图该系统主要由控制模块、显示模块、电机驱动模块、传感器模块、电源模块等组成。系统的总体框图如图1所示。图1系统总体框图2方案论证和选择2.1控制模块的演示和选择方案一：采用嵌入式系统。与AT80C51相比，它具有硬件结构复杂、编程容易的特点。低价格，CMOS技术和RISC架构，低功耗(A)，睡眠功能。AVR的一条指令可以以50纳秒(20兆赫兹)的速度执行，功耗在1 a至2.5 ma之间。高度机密。方案二：采用AT80C51系统。它的特点是8k字节的只读存储器，32个可编程输入输出端口，3个16位定时/计数表，8个中断源和1个全双工通用异步串行通信端口。它易于编程，是一种广泛使用的单片机。选择3:采用MSP430。该系列单片机为16位单片机，采用精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7个源操作数寻址和4个目的操作数寻址)，简洁的27条内核指令和大量模拟指令。大量寄存器和片内数据存储器可以参与各种操作。还有高效的查找处理指令。这些特性确保了高效的源程序可以被编译。基于以上三种方案，本设计选择第二种方案。2.2输入模块的演示和选择方案1:使用独立的键盘控制输入。它的特点是硬件结构简单，编程容易，当有更多的键时，有更多的输入输出端口。方案二：用矩阵键盘控制输入。其特点是硬件结构复杂，编程复杂。当有许多密钥时，可以保存输入输出端口。选项3:使用倾斜开关。DIP开关(也称为DIP开关、拨动开关、超频开关、地址开关、拨动开关、数字开关、手指开关)是一种用于操作和控制的地址开关，并采用0/1的二进制编码原理。用通俗的话说，它也是一个可以用手拨动的微型开关，所以有许多通常也叫手指开关。广泛应用于数据处理、通讯、遥控和防盗自动报警系统、风淋室等需要手动编程的产品。基于以上三种方案，本设计选择第一种方案。2.3显示模块的演示和选择方案一：采用数字显示。它具有功耗低、寿命长、成本低、故障少、可视距离长的特点，但只能显示数字和字母。方案二：液晶显示器1602用于显示。它具有体积小、功耗低、显示内容丰富的特点，是单片机应用设计中最常用的信息显示模块。方案三：采用液晶显示器。其特点是界面方式灵活，操作指令简单方便，可形成全中文人机交互图形界面。它可以显示84行1616点阵汉字。它还可以完成图形显示。低电压和低功耗。硬件电路结构和显示程序都更加简单和便宜。基于以上三种方案，本设计选择第二种方案。2.4传感器的演示和选择方案一：用红外线管测量速度。其特点是能快速反映电机轴上码盘的黑白线，输出方波，并用数码管显示。它可以满足普通小型电机、玩具车和跟踪车的速度测量，但在大型电机上仍有很大的改进空间。方案2:通过编码进行速度测量。它具有功耗低、性能稳定、分辨率高等特点，广泛应用于机电测速的各个方面。方案三：用光电管测量速度。利用集成电路技术和表面贴装技术制造的新一代光电开关器件具有延时、展宽、外同步、抗干扰、高可靠性、工作区域稳定和自诊断等智能功能。这种新型光电开关是采用脉冲调制的主动光电探测系统型电子开关。它使用的冷光源包括红外光、红光、绿光、蓝光等。它能快速、非接触地控制固体、液体、透明体、黑体、软体、烟雾等各种物质的状态和作用。没有损坏。体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离长、抗光、电、磁干扰能力强。基于以上三种方案，本设计选择第二种方案。3理论分析和脉宽调制(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，以满足控制要求。脉宽调制有多种应用方式。例如电机速度控制、温度控制、压力控制等。在由脉宽调制驱动控制的调节系统中，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”时间的长度根据需要而改变。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，这就是为什么脉宽调制也被称为“开关驱动装置”。当电机始终连接到电源时，电机的最大转速为Vmax，占空比为D=t1/，则电机的平均速度为Va=Vmax * D，其中Va指电机的平均速度，Vmax指电机完全通电时的最大速度，D=t1/T指占空比。从上面的公式，我们可以看到，当我们改变占空比D=t1/T，我们可以得到不同的电机。平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地说，平均速度Vd和占空比D并不严格。格线性关系，但在一般应用中，我们可以将其近似为线性关系。3.2脉宽调制调速方法脉宽调制由基于单片机的软件实现：在脉宽调制调速系统中，占空比D是一个重要参数。在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变占空比D可以改变电枢端电压的平均值，达到调速的目的。有三种方法可以改变占空比D的值：一种固定宽度的调频方法：保持1t不变，只改变t，这样周期(或频率)也会改变。宽度调整和频率调制方法：保持t不变，只改变1t，这样周期(或频率)也会改变。C.恒定频率和宽度调整方法：在改变1t和t时保持周期t(或频率)不变。前两种方法在调节速度时改变控制脉冲的周期(或频率)。当控制脉冲的频率等于控制脉冲的频率时当系统的固有频率接近时，就会引起振荡。因此，经常使用恒定频率和宽度调节方法来改变占空比，从而改变DC电机电枢上的电压。利用单片机定时计数器加软件延时实现脉冲宽度的自由调节。该方法可以简化硬件电路，可操作性强。二、硬件电路设计1控制系统单片机80C51如图2所示。图2 80C51单片机AT80C51是一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机。该芯片包含一个闪存只读程序存储器，可以由4k字节的SP重写。该器件采用ATMEL的高密度、非易失性存储技术制造，并与标准MCC-51指令系统和89C51引脚结构兼容。该芯片集成了一个通用的8位中央处理器和ISP闪存单元，功能强大的单片机AT80C51可以为许多嵌入式控制应用系统提供一个经济高效的解决方案。AT80C51具有以下特性：40个引脚、4k字节片内闪存程序存储器、128字节随机存取数据存储器(ram)、32个外部双向输入/输出(I/O)端口、5个中断嵌套中断(具有中等中断优先级2)、16位可编程定时计数器、2个全双工串行通信端口、看门狗(WDT)电路和片内时钟振荡器。2驱动模块电机驱动芯片L298N如图3所示。图3 L298NL298N是ST公司生产的高压大电流电机驱动芯片。芯片封装有15个引脚。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬时峰值电流可达3A，连续工作电流为2A。额定功率为25W。具有两个H桥的高压大电流全桥驱动器可用于驱动感应负载，如DC电机、步进电机、继电器线圈等。使用标准逻辑电平信号控制；它有两个使能控制端，一个逻辑电源输入端在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；检测电阻器可以外部连接，以将变化量反馈到控制电路。L298N芯片用于驱动电机。该芯片可以驱动两相或四相步进电机，也可以驱动两个电机。使用DC/步进两用驱动器可以驱动两个DC电机。M1和M2。引脚A和B可用于输入脉宽调制信号，以控制电机的速度。(如果两个引脚可以在不调速的情况下连接到5V，使电机工作在最高速度状态，就更容易实现电机的正反转。输入信号端子IN1连接到高电平输入端子IN2连接到低电平，并且电机M1正向旋转。(如果信号端子IN1连接到低电平，IN2连接到高电平，电机M1反转。)控制另一个电机也是同样的方法。输入信号端子IN3连接到高电平，输入端子IN4连接到低电平，电机M2向前旋转。(反相)，脉宽调制信号端子A控制M1速度调节，脉宽调制信号端子B控制M2速度调节。请参考下表：发动机旋转广场控制终端IN1控制终端IN2控制端子IN3控制端子IN4输入的脉宽调制信号可以转换成脉宽进行速度调节。调速端a调速终端b货币供应量向前高的低的/高的/反转低的高的/高的/停止低的低的/高的/货币供应量之二向前/高的低的/高的反转/低的高的/高的停止低的