基于单片机的pwm直流电机调速系统

1、1 课程设计报告课程设计报告 题目：基于单片机的题目：基于单片机的 pwmpwm 直流电机调速系统直流电机调速系统 教学单位教学单位 电气信息工程学院电气信息工程学院 年年 级级 成成 员员 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 指导教师指导教师 2 目录 摘要.3 直流电机调速的的研究背景.4 直流电机调速的研究意义.4 PWM调速.5 系统论述.6 设计思路.6 基本原理.6 总体设计框图.7 直流电机单元电路设计与分析.7 直流电机驱动模块.11 直流电机的键盘控制模块.15 直流电机 PWM 控制系统的实现.15 总接线图.15 控制程序设计.16 结束.21 摘要 3 本

2、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、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，采用了AT89C51单片机 作为整个控制系统的控制电路的核心部分，由命令输入模块、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，不断给驱动 模块发送PWM波形，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。 关键词：AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制。 直流电机调速的的研究背景 直流电机是

3、最早出现并得到应用的一种电机,发展至今已被广泛应用于工业自动 4 化,机械设备,交通工具,航空动力等领域中。最早出现的直流电机是由模拟电路、 数字电路、运算放大器,非线性电路组成的,因此其组成电路比较复杂,功能局限, 不能灵活改装,增加了调试难度,导致早期直流电机发展应用比较缓慢。近年来, PWM 技术的出现及快速发展,促进了直流电机的发展及应用范围。PWM 是通 过控制半导体开关的导通和断开,使得直流电压随着半导体开关的通断变化,半导 体开关闭合时,直流电压为高电平;半导体开关断开时,直流电压降为低电平。直 流电压信号随着半导体开关的通断状态的变化而呈现脉冲式的信号。根据这个 理论,可以通过

4、改变半导体元器件开关通断的时间来改变直流电压脉冲的宽度或 者频率,从而改变输出的平均直流电压值。近代由于电力电子技术、微机技术、 控制理论的发展日趋成熟,利用单片机控制直流电机成为了直流电机主要调速技 术中重要且热门的一部分。单片机在直流电机调速中起到输出 PWM 脉冲信号 和控制其他逻辑电路的作用。单片机体积小,重量轻,控制功能强,应用灵活,价格 低廉,因而单片机成为了直流电机调速系统中控制芯片的首选。基于 PWM 调速 的直流 电机能耗低、效率高,因而直流电机再次成为了研究的热点并且得到了广泛的应 用。 直流电机调速的研究意义 直流电机是最早发明并得到广泛应用的电机中的一种。在各种类型的电

5、机中,直 流电机因良好的启动性能、制动性能、调速性能并且能够快速响应而在航天、 工业、数字化控制等领域得到了广泛应用。在现代不同领域用到的电动机种类 庞大繁杂,但直流电机凭借其特有的优势,在电子领域、自动控制领域等依然被广 泛地应用。同时,直流电机能够快速无极启动、停止、加速、减速以及正向和反 向运转。随着生产过程中对自动控制系统的不同要求的 提高,通过改变电枢回 路电阻和电压来实现直流电机调速已经无法满足当今社会对控制系统的要求,所 以,PWM 调速技术应运而生,并得到了较快较好地发展。PWM 调速系统需要的 元器件少、电路构造简单、能灵活控制、耐用、能大范围调速、多样化的控制 5 途径、与

6、数字信号兼容通信,因此在工业领域得到了广泛应用,促进了工业化的发 展,因此学习研究 PWM 直流电机调速系统对我们以后的工作有重要意义。 Pwm 调速技术 PWM 调速技术出现以来,迅速被应用于直流电机调速领域中,并且其在性能方面、 成本方面以及操作方面表现出了很多优势,因此得到了广泛应用。电机包括同步 电机、异步电机。下面我们将简单介绍它们的不同调速方式以及这些调速方式 的优缺点,进一步深化我们对 PWM 调速技术的理解。异步电机调速方式:异步电 机的调速方式主要有两种,即变极调速和交流变频调速。变极调速是通过改变电 机磁极对数来改变其转矩,从而实现调速目的的调速方式。交流变频调速是利用 晶

7、闹管对三相电压变流,输出类似正弦波电压,使得电机获得类似正弦波变化的电 压,从而实现调速目的。变极调速的优点是设备简单、操作容易,缺点是无法进行 平滑稳定调速。交流变频调速克服了变极调速无法平滑调速的缺点,但其缺点是 设备复杂,成本高。同步电机调速方式:调极和调频。这两种调速方式都有很大的 缺陷:调极调速方式不能实现平滑调速,调速稳定性较差;调频调速方式不能大范 围调速,使得电机工作电压范围受到局限,无法满足工业生产中对不同功率设备提 供动力的要求。PWM 调速方式:PWM 调速方式能够实现大范围调速、调速过程 平滑、调速响应动作快速,克服了以上调速方法的缺点,随着 PWM 技术的不断 发展,

8、其应用领域将不断扩大。 6 系统论述 设计思路 直流电机PWM控制系统的主要功能包括：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。该直流电机系统由以下电路模块 组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶 振组成。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AT89C51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L298直流电机驱动模块组 成。 基本原理 主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由89C51单片 机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制

9、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。其间是通过89C51单片机产 生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片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89C51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L298直流电机驱动模块组成。 总体设计框图 系统组成：直流电机PWM调速方案如下图所示： 方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由 命令输入模块及电机驱动模块组成。采用带中断的

10、独立式键盘作为命令的输入， 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，驱动电路 完成电机正，反转控制。 7 直流电机直流电机 PWMPWM 调速方案调速方案图图 直流电机单元电路设计与分析 直流电机驱动模块 主要由一些二极管、电机和L298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 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

11、为机械信号）。下面以直流电动机作为研究 对象。 8 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,直流电机结构如下图所示。 直流电动机结构 直流电机工作原理 直流电机电路模型如下图所示，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。 直流电动

12、机电路模型图 直流电机主要技术参数 直流电机的主要额定值有： +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 9 额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。 额定电压Ue：长期运行的最高电压。 额定电流Ie：长期运行的最大电流。 额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以 r/min 为单位。 励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。 直流电机 PWM 调速原理 （1）直流电机转速 直流电机的数学模型可用下图表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正 方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩 T 的正方向与转速 n的方向相同，是拖动转矩；轴

13、上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n 相反，是制动转矩。 直流电机的数学模型 根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1： U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1 式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总 和； Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。 由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce 式1.2 式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量。 由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转 ra Ea n T0 T2 I U T1 Rc 说明: U 电压 Ea 电枢电

14、动势 n 转速 I电枢电流 ra 电枢回路电阻 Rc 外在电枢电阻 T1，T2负载转矩 T0 空载转矩 磁通量 10 矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转 速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性， 电机就反转。 （2）PWM 电机调速原理 对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为上图所示的脉动电流压 （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

15、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=UD 式1.4 由式1.3得到： n =Ea/CeUD/ Ce=KD ； 在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。 下图为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。 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 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 11 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

16、转速成，这就是直流 电机PWM调速原理。 电机驱动模块的电路设计 选用L298芯片来构成的驱动电路。 L298n 芯片引脚图 12 L298n 真值表 L298n 芯片引脚功能 13 L298n 内部结构图 由L298芯片组装的驱动模块如图所示。 直流电机及其驱动电路仿真图 直流电机的中断键盘控制模块 在直流电机调速系统中,需要采用一些机械按键来对该系统进行操作。在本 14 系统中采用的是 3 个独立的按键,分别为 S1、S2、S3、,这四个按键分别连接到 单片机 STC89C51 的 P0.0、P0.1、P0.2，引脚上。具体连接方式为:左侧连接到 单片机引脚同时通过上拉电阻连接到+5V 电

17、源,右侧接地。在程序中对键盘才去 键盘扫描模式来判断这 3 个独立按键的状态:如果单片机通过键盘扫描函数检测 到单片机与按键相连的引脚为低电平,则说明该按键被按下,随即进入处理程序, 单片机发出指令,对直流电机进行控制,进而实现对直流电机的启动、加速和减速、 换向运转的控制。键盘扫描子程序在整个程序中的具体执行思路是:如果按键被 按下,则程序进入键盘扫描子程序,根据指令执行相关动作,按键子程序执行完后, 程序重新回到主程序,继续对按键的状态进行实时扫描;如果按键没有被按下,则 程序不会进入键盘扫描子程序,而是一直执行主程序或者其他的子程序,虽然没有 键入键盘扫描子程序,但是单片机会对与按键相连

18、接的引脚进行实时扫描,即主程 序每执行一次都会对键盘扫描子程序的入口条件进行一次判断。 本系统中的 4 个独立按键与单片机的硬件连接见下图。 键盘电路仿真图 15 直流电机 PWM 控制系统的实现 总接线图 16 总接线图 控制程序设计控制程序设计 17 /* 程序名：PWM 直流电机调速 */ /* 直流电机的 PWM 波控制，可以直接的调速从 0 到 20 级的调速 */ #include #define TH0_TL0 (65536-50)/设定中断的间隔时长 unsigned char count0 = 50;/低电平的占空比 unsigned char count1 = 0;/高电平

19、的占空比 bit Flag = 1;/电机正反转标志位,1 正转，0 反转 sbit Key_add=P30; /电机减速 sbit Key_dec=P31; /电机加速 sbit Key_turn=P32; /电机换向 sbit PWM1=P10;/PWM 通道 1，反转脉冲 sbit PWM2=P11;/PWM 通道 2，正转脉冲 unsigned char Time_delay; /*函数声明*/ void Delay(unsigned char x); void Motor_speed_high(void); void Motor_speed_low(void); void Motor

20、_turn(void); void Timer0_init(void); /*延时处理*/ void Delay(unsigned char x) 18 Time_delay = x; while(Time_delay != 0);/等待中断，可减少 PWM 输出时间间隔 /*按键处理加 pwm 占空比，电机加速*/ void Motor_speed_high(void)/ if(Key_add=0) Delay(10); if(Key_add=0) if(count0 = 100) count0 = 95; count0 += 5; while(!Key_add);/等待键松开 /*按键处理减 pwm 占空比，电机减速*/ void Motor_speed_low(void) 19 if(Key_dec=0) Delay(10); if(Key_dec=0) if(coun