电气工程及其 自动化专业方向设计报告基于XS128的电机调速及控制电路板的制作

1、西南科技大学电气工程及其自动化专业方向设计报告设计名称： 直流电机正反转和加减调速控制电路板的制作 姓 名： 周炤贤 学 号: 20105255 班 级： 电气1003 指导教师： 聂诗良 起止日期： 2013.10.15-2013.11.09 西南科技大学信息工程学院制方 向 设 计 任 务 书 学生班级： 电气1003 学生姓名： 周炤贤 学号： 20105255 设计名称： 直流电机正反转和加减调速控制电路板的制作 起止日期： 2013.10.15-2013.11.09 指导教师： 聂诗良 设计要求：要求采用单片机、lm298等器件设计制作一个可进行直流电机正反转和加减调速控制的电路板，

2、电机实际转速可在led或lcd上显示。 方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容10.20选型，初步确定设计过程中可能会用到的元器件，确定设计方案10.21-10.22搭建电路板10.22-10.23调试，通过lm298n实现电机正反转10.24调试，通过xs128单片机的pwm模块实现电动机调速10.25-11.01调试，通过编码器测速，并将速度显示在lcd显示屏上11.01-11.09完成报告 直流电机正反转和加减调速控制的电路板制作摘要：随着社会的发展与进步，电动机作为日常生产生活中必不可少的工具，在今天已经变得非常重要，无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办

3、公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品中，都大量使用着各种各样的电动机。据有关资料显示，当今社会人类生产生活中所用到的能源有接近百分之九十来源于电动机。在我国，目前有百分之六十的电能用于电动机。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、pid控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。本电机控制系统基于xs128内核的单片机设计，采用lm298直流电机

4、驱动器，利用pwm脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机i/o口定时采样，将电动机转速反馈到单片机中。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。关键词:xs128，lm298，lm2940，直流电机正反转及调速。manufacture of dc motor reversing and add and subtract speed control circuit boardabstract:with the development and progress of society, motor

5、as an essential tool in daily life, have become very important in today, both in industrial and agricultural production, transportation, national defense, aerospace, medical and health, business and office equipment, or in daily life of household appliances and consumer electronics products, a large

6、 number of motor using a variety of.according to statistics, the use of todays society energy in human production and life have close to ninety percent from motor. in china, there are currently sixty percent of the energy used in motor. motor and peoples life, are inseparable.the age of electricity,

7、 motor speed control using simulation method, pid control, simple and the motor control application more. simple control refers to the motor starting, braking, reverse control and sequence control. this kind of control through a relay, optocoupler, programmable controller and switching elements to a

8、chieve. there is a kind of control called complex control, refers to the motor speed, angle, torque, voltage, current, power and other physical quantity control.the motor control system design of mcu based on mc9s12xs12kernel, use lm298 dc motor driver, using the pwm pulse width modulation control m

9、otor, and through the coupler tube speed, the microcontroller i/o port timing sampling, the motor speed feedback to the mcu. after the design and debugging, the control system can realize the control of motor speed with less error, system has a display of speed and control the motor starting, stoppi

10、ng and reversing function pc. has certain practical significance.keywords:xs128.lm298.lm2940.manufacture of dc motor reversing and add and subtract speed control.1、 设计目的和意义： 设计目的为实现电动机的正反转及加减调速，并测速，将速度显示在lcd显示屏上;通过设计，了解单片机的基本功能，及其实现方法，了解电动机控制原理，由于电动机在现实生产中应用广泛，该设计也具有一定的实用价值。2、 控制要求： 要求采用单片机、lm298等器件

11、设计制作一个可进行直流电机正反转和加减调速控制的电路板，电机实际转速可在led或lcd上显示。3、 设计方案论证： 本系统利用mc9s12xs128单片机为控制核心，用上位机显示设定转速和测量转速以及控制电机,采用lm298n驱动芯片作为本系统的驱动电路和用槽型ome-500-2ca编码器作为该系统的测量电路，用于测量电机实际转速。硬件方面包含直流稳压模块，控制核心模块，电机驱动模块，pwm调速模块，编码器测速模块，lcd显示模块共六个模块。通过控制核心模块与电机驱动模块实现电机的正反转，通过控制核心的pwm模块与电机驱动模块实现电机调速，通过编码器测速，通过控制模块与lcd模块显示电机实际转

12、速。下图为系统设计框图:lm298n电机驱动模块lcd显示模块xs128单片机 lm29405v稳压供电模块编码器测速模块电动机 单片机选用了飞思卡尔mc9s12xs128作为主控制器，pwm 调制波有8个输出通道，每一个输出通道都可以独立的进行输出。每一个输出通道都有一个精确的计数器（计算脉冲的个数），一个周期控制寄存器和两个可供选择的时钟源。每一个pwm 输出通道都能调制出占空比从0100% 变化的波形能非常方便的满足本次电机控制的需求，其pwm端口用于输出一定频率且脉宽可调的pwm波用于控制电机转速.系统的电机驱动单元选择了lm298n大功率驱动芯片，再利用tlp521光耦合器和整流二极

13、管设计的驱动电路能实现电器隔离与控制，能提高控制效率和精度极大减少了挠动干扰，而且可以实现电机的正反装和刹车功能。 系统测速模块基于ome-500-2ca设计，将电机的转速转换成不同频率的脉冲信号，上传到单片机中，最后显示在lcd显示屏上3.1直流电机基本工作原理 直流电机的基本结够图3.2直流电机调速原理直流电机转速n的表达式为: (1 - 1)式中:u-电枢端电压；i-电枢电流；r-电枢电路总电阻；-每极磁通量；k-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n的控制方法有三种，主要以调压调速为主。本控制器主要通过脉宽调制pwm来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调

14、频和调宽调频。本系统采用了定频调脉宽方式的pwm控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生pwm脉冲的软件实现上比较方便。4、 系统设计 4.1 系统电源设计 系统要求有5v电源输入，因此我们选用了lm2940作为电源芯片。lm2940-5.0低压差三端稳压芯片（国产）,输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5v；输出电流1a；输出电流1a时，最小输入输出电压差小于0.8v；最大输入电压26v；工作温度-40+125；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。 lm2940引脚图lm2940-5.0在输出电流为1a时dropout volt

15、age典型值为0.5v，即输入电压要输出电压+0.5v=5.5v；同样输出电流为100ma时dropout voltage典型值为110mv，输入电压大于5.1v即可，如图所示 lm2940输入输出压降参数表（此处输入电源采用7.5v电池）4.2电机驱动模块这里采用电机驱动专用芯片l298n，该芯片可驱动两路536v的直流电机或者一路四拍的步进电机。同时在l298n与主控芯片间通过四路光耦tlp5214隔离消除干扰信号。在xs128上配置好串口、pwm，实现串口接收的数据直接赋值给pwm定时器ccap1l、ccap1h。利用串口调试助手发送控制信息给xs128，同时辅助外界5v电源更改l298

16、n的in1和in2共同完成l298n电机驱动模块的调试。采用l298n，通过单片机的i/o输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，输入引脚与输出引脚的逻辑关系图为 l298n是sgs公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个h桥的高电压大电流双全桥驱动器，接收标准ttl逻辑电平信号，可驱动46、2a以下的电机，其引脚排列如下图所示out1、out2和out3、out4之间分别接两个电动机.in1、in2、in3、in4引脚从单片机接输入电平，控制电机正反转，ena,enb接控制使能端，控制电机的停转。l298n逻辑功能表如下 由于

17、这次只驱动一台电动机，故只用到out1、out2引脚。4.3 mc9s12xs12pwm调速模块p wm脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。下式是占空比计算公式： d=t1/t式中t1表示一个周期内开关管导通的时间，t表示一个周期的时间。 占空比d表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值，变化范围为0d1。由上式可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值为 dmaxv=v*d，因此改变 占空比d就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是pwm调速原理。 在pwm调速时，占空比是一个重要参数。可以通过以下三种

18、方式改变占空比： （1）定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （2）调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （3）定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变。 前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。定频调宽法是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，pwm又被称为“开关驱动装置”。 如下图所示 电

19、枢电压占空比和平均电压的关系图xs 128的周期计算方法左对齐方式：输出周期 = 通道周期 pwmperx中心对齐方式： 输出周期 = 通道周期 pwmperx 2 脉宽计算方法左对齐方式：占空比 = (pwmperx - pwmdtyx) / pwmperx 100%中心对齐方式：占空比 = pwmdtyx / pwmperx 100%其中，pwmperx是pwm通道周期寄存器，pwmdtyx是pwm通道占空比寄存器。4.4编码器测速模块 电机测速采用me-500-2ca编码器，该编码器是旋转编码器。旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发

20、出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收元件接收产生初始信号。该信号经后继电路处理后，输出脉冲或代码信号。其特点是体积小，重量轻，品种多，功能全，频响高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能稳定，可靠使用寿命长等特点。1、 信号序列 一般编码器输出信号除a、b两相（a、b两通道的信号序列相位差为90度）外，每转一圈还输出一个零位脉冲z。当主轴以顺时针方向旋转时，按下图输出脉冲，a通道信号位于b通道之前；当主轴逆时针旋转时，a通道信号则位于b通道之后。从而由此判断主轴是正转还是反转。正弦输出编码器输出的差分信号如下图所示：2、 零位信号 编码器每旋转一周发一个脉冲，称之为零位脉冲或标识脉冲，零位脉

21、冲用于决定零位置或标识位置。要准确测量零位脉冲，不论旋转方向，零位脉冲均被作为两个通道的高位组合输出。由于通道之间的相位差的存在，零位脉冲仅为脉冲长度的一半。将编码器产生的初始信号通单片机处理后显示在lcd显示屏上，即电机的实际转速。5、 设计结果及分析结束语 课程设计是培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。本次的课程设计是基于运用所学单片机技术、传感检测技术、电机驱动技术等方面的知识，设计电机调速与控制系统，很好的结合了当今工业直流电机方面的实际应用，相对于前一次的课程设计，这次的题目综合性更高、设计难度更大

22、、实用性更强，是对我们所学专业知识如单片机原理及接口技术、传感器与检测、c语言程序设计、直流电机驱动原理等课程知识的综合检验与应用，很好的锻炼了我们从单一模块到系统设计与调试能力的转变与提高，同时也让增强了我们直流电机控制原理与应用有了更深的认识和体会。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，我们都付出了很多努力，也收获了很多，在此次设计中不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合的重要性，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，才能做出实际的有用的东西，从而提高自

23、己的实际动手能力和独立思考的能力。在这次设计的过程中我们也遇到了很多困难，尤其是我要考研，时间特别紧迫，还有就是这次在电机的测速模块和lcd显示的设计上都遇到了很大的问题，通过这次课程设计，我更发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，而且缺少自主分析问题的能力，碰到问题后有一种和逃避依赖心理。也让我明白做电子类设计每一步都要细心严谨，不能马虎。参考文献（递增引用，引用相关内容）1李朝青编单片机原理及接口技术(简明修订版)北京航空航天大学出版社，19982. 谭浩强 c语言程序设计. 北京：清华大学出版社，2002。3. 后闲哲也编 单片机c程序设计与实践丛书

24、 北京航空航天大学出版社 2008。附录（程序、电路图等）#include includes.h#define lcdrs porta_pa2 #define lcden porta_pa4int z=0,f=0,up=0,down=0;int up_count=0;char speed=0;uchar num;void pwm_init(void) pwme = 0x00; /通道不能对外输出波形 pwmctl_con01 = 1; /通道级联 pwmctl_con23 = 1; pwmprclk = 0x00; /时钟源a、b预分频 clock a = clock b = e = 48mh

25、z pwmcae_cae1=0; /对齐方式设置 通道输出波形为左对齐方 pwmcae_cae3=0; pwmclk_pclk1 = 0; /-sa时钟 0、1、4、5选择a/sa 0选a 1选sa pwmclk_pclk3 = 0; /-sb时钟 2、3、6、7选择b/sb 0选b 1选sb pwmpol_ppol1 = 1; /pwm首先输出高电平 pwmpol_ppol3 = 1; pwmper01 = 4800; /设定周期 pwm 频率 = 48m/4800 = 10k pwmper23 = 4800; / 10khz pwmdty01 = 0; pwmdty23 = 0; pwme

26、 = 0xaa; void pit_init(void) pitcflmt_pite = 0; /关闭pit pitce_pce0 = 1; /定时器通道0开 pitmtld0 = 48-1; /8位定时器初值设定。48分频，在48mhzbusclock下，为1mhz,即1us pitld0 = 1000-1 ; /16位定时器初值设定。pittime*0.001ms,定时1000 * 0.001ms = 1ms pitmux_pmux0 = 0; /0：相应16位定时器与微时基0连接 pitinte_pinte0 = 1; /开通pit0定时器的溢出中断 pitcflmt_pite = 1;

27、 /pit模式 打开使能位 void pll_init(void) disableinterrupts; /禁止总中断 clksel &= 0x7f; / clock selection pllsel=0 system clocks are derived from oscclk (f(bus)=f(osc)/2) pllctl &= 0xbf; / controls the ipll functionality pllon=0 ipll is turned off synr = 0xc0 | 0x05; refdv = 0x80 | 0x01; /pllclk=2*16*(synr+1)/(

28、refdv+1)=96m pllctl |= 0x40; /pllon=1 ipll is turned on while(crgflg&0x08)=0x00); / provides status bits and flags 判断lock=1?时钟稳定与否 clksel |= (17); /pllsel=1 choice pllclk is system clocksvoid delay1(int x) int i; while(x-) for(i=0;i10)?10:up_count; up_count=(up_count0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;portb=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;portb=date;de