2022年PWM波直流电机速度调节系统

1、课程设 计设计题目： pwm 波直流电机速度调节系统学院：专业：班级：姓名：学号：指导老师：日期：精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页，共 22 页 - - - - - - - - -目录一 引言. 11.1 开发背景 . 2 1.2 数字控制器d(z) . 5 二 直流电动机调速概述 . 4 2.1 直流电机调速原理 . 42.2 直流调速系统实现方式 . 52.3 8051 单片机简

2、介三 硬件电路设计. 7 3.1 pwm波形的程序实现 . 73.2 直流电动机驱动 . 83.3 续流电路设计 . 9四 软件设计. 10 4.1 主程序设计 . 10 4.2 数码显数设计 . 11 4.3 功能程序设计 . 12 4.4 仿真图 . 17 4.5 仿真结果分析 . 18 五 心得体会. 18 精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页，共 22 页 - - - - - -

3、 - - -1 摘要：在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。在各类机电系统中, 由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能, 直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面, 最常用的直流调速技术是脉宽调制 (pwm) 直流调速技术 , 具有调速精度高、 响应速度快、 调速范围宽和损耗低的特点 .而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段, 数字控制系统硬件电路的标准化程度高, 控制软件能够进行复杂运算, 可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律 , 此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现

4、的功能。关键字 ：80c51 单片机； pwm 调速技术；直流电动机一 引言1.1 开发背景1 绪论1.1 课题的研究背景和意义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。长期以来， 直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电动机( 如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。近年来， 直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使精品学习资料 可选择p d f - - - - -

5、- - - - - - - - - 第 3 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页，共 22 页 - - - - - - - - -采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(pulsewidthmodulation，简称 pwm) 控制方式已成为绝对主流。这控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，从50 年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称 g-m系统)及水银整流装置，到60

6、年代的晶闸管电动机调速系统(简称 v-m系统) ， 使得变流技术产生了根本的变革。 再到脉宽调制，变换器的产生， 不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化

7、、标准化，在可逆、宽调、速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位。目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。 该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法， 即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。 张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。 该方法依据内模控制原理， 针对双闭环直流电动机调速精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - -

8、- - - - - - - - - - - 第 4 页，共 22 页 - - - - - - - - -系统设计了一种内模控制器，取代常规的pi 调节器，成功解决了转速超调问题， 能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.skw电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。 而且通过系统总线， 数字控制系统能与管理计算机、过

9、程计算机、 远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段。pwm 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80 年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，pwm 控制技术才真正得到应用。 随着电力电子技术、 微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法， 如现代控制理论、 非线性系统控制思想的应用， pwm 控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种 pwm 控制技术。1.2 数字控制器d(z) 假设直流电机和 pwm 控制与变

10、换器传递函数如图所示， 用最少拍方精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页，共 22 页 - - - - - - - - -法设计直流电机调速系统的数字控制器d(z), 二 直流电动机调速概述2.1 直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同， 直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：n=u/cc-tr内/crcc其

11、中： u电压； r内励磁绕组本身的电阻；每极磁通 (wb)；cc电势常数； cr转矩常量。由上式可知， 直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通， 其控制功率虽然较小， 但低速时受到磁极饱和的限制，dw(z)d(z)sets112s712swxekyukuy图 2 晶闸管直流电机速度调节系统简化框图1s2精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 6 页，共 22

12、页 - - - - - - - - -高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大， 动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。图 1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(pwm) 应用更为广泛。脉宽调速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” 。图 1-2 电枢电压占空比和平均电压的

13、关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为maxv，占空比为d=1t/t，则电机的平均速度为：dmaxv =v*d，可见只要改变占空比d，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。2.2 直流调速系统实现方式pwm 为主控电路的调速系统： 基于单片机类由软件来实现pwm，在 pwm调速系统中占空比d 是一个重要参数在电源电压du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 d 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比d 的值有三种方法：精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 22

14、页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页，共 22 页 - - - - - - - - -a、定宽调频法：保持1t不变，只改变 t，这样使周期 (或频率 ) 也随之改变。b、调宽调频法：保持t 不变，只改变1t，这样使周期 ( 或频率) 也随之改变。c、定频调宽法：保持周期t(或频率 ) 不变，同时改变1t和 t。2.3 8051 单片机简介18051 单片机的基本组成8051 单片机由 cpu 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用cpu 加上外围芯片的结构模式， 但

15、在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：8051 基本结构图28051 单片机引脚图精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页，共 22 页 - - - - - - - - -8051 单片机引脚图三 硬件电路设计本系统采用 80c51控制输出数据，由 pwm 信号发生电路产生pwm信号，送到直流电机，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。

16、3.1 pwm波形的程序实现随计算机技术及电力电子技术的发展，pwm 波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89c51单片机为控制核心 , 晶振频率为12mhz 定 时计数器 to,t1作定时器使用， 工作在方式 1，定时时间为0.1ms，若 pwm 波形的频率为50 hz ，占空比为 1：1，则和 r0 载开始正转？系统初始化反转？停止？调显示子程序发正转命令发反转命令发停止命令yyy精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - -

17、- - - - - - - 第 9 页，共 22 页 - - - - - - - - -入 30h和 31h单元的值初始 100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变 30h和 31h单元的值就可以改变占空比. 系统流程图如图 2-1所示 ：图 2-1 程序流程图3.2 直流电动机驱动在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用igbt 作为主开关元件 , 对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路l298 来驱动电机 l298内部结构和功能引脚图l298 是双 h高电压大电流功率集成电路. 直接采用 l 逻辑电平控制 ,精品学习

18、资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页，共 22 页 - - - - - - - - -可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。l298 引脚符号及功能sensa 、sensb ：分别为两个 h桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ena 、enb ：使能端，输入pwm 信号in1、in2、in3、in4：输入端， ttl逻辑电平信号out1 、ou

19、t2 、out3 、out4 ：输出端，与对应输入端同逻辑vcc ：逻辑控制电源， 4.57v gnd:地vss ：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端in1 为 pwm 信号,in2 为低电平信号时, 电机正转；输入端in1 为低电平信号， in2 为 pwm 信号时, 电机反转;in1与 in2 相 同时,电机快速停止。当使能端为低电平时, 电动机停止转动。3.3 续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变 ，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流 ，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据pwm

20、 的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即l298芯片。 为保护芯片加上洗续流电路。 电路的工作原理替如图3.7 所示。电路的工作原理：当电机正转时，若突然掉电， d1、d4导通， d2 、d3截止；当电精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页，共 22 页 - - - - - - - - -机反转时，

21、突然掉电d2、d3导通， d1、d4截止。d1d2d3d4-+mm1vsy1y2续流电路工作原理图四 软件设计4.1 主程序设计该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态. org 0000h ajmp start org 0003h ljmp int0； t0中断 org 000bh ljmp itt0； t1中断 org 0030h ；系统初始化start: mov sp,#60h ；赋初值堆栈指针 mov r0,#00h ；给 r0送值 0 mov r1,#00h ；给 r1送值 0 clr p1.5 ；置 0 精品学习资料 可选择p d f -

22、 - - - - - - - - - - - - - 第 12 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 12 页，共 22 页 - - - - - - - - - clr p1.6 ；置 0 clr p1.7 ；置 0 mov tmod,#01h ；写控制字控制方式 mov tl0,#0ffh ；置定时常数 mov th0,#0ffh setb ea ；允许中断 setb ex0 ；允许外部中断0 setb et0 ；允许 tl0中断 clr it0 setb tr0 ；启动 tl0 图3-

23、1 主流程图4.2 数码显数设计通过 p1.1，p1.2 口来控制数码， 显示通过查表和调用延时实现数的显示程序代码：mov dptr,#tab mov 40h,#0 ；置 0 开 始正转？系统初始化反转？停止？调显示子程序发正转命令发反转命令发停止命令yyy精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页，共 22 页 - - - - - - - - - mov 41h,#0 ；置 0 led

24、: setb p1.1 ；p1.1 置 1 clr p1.2 ；p1.2 清 0 mov a,40h ；将 40h的内容送往 a movc a,a+dptr ；查表 mov p0,a ；查表所得 a值送往 p0口 lcall tts ；调用延时 clr p1.1 ；p1.1 清 0 setb p1.2 ； p1.2 置 1 mov a,41h ；将 41h的内容送往 a movc a,a+dptr ；查表 mov p0,a ；查表所得 a值送往 p0口 lcall tts ；调用延时 clr p1.2 ；p1.2 口清 0 ljmp led ；跳转到 led org 2000h tab: db

25、 40h,79h,24h,30h,19h db 12h,02h,78h,00h,10h 4.3 功能程序设计结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停程序代码：精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页，共 22 页 - - - - - - - - -itt0: cpl p1.5 ；p1.5 口取反 jnb p1.5,z1 mov a,#0ffh ；低电平定时 subb

26、 a,r0 mov th0,a setb tr0 ；启动 tl0 reti z1:mov th0,r0 ；高电平定时 setb tr0 reti int0:clr ex0 ；实现键盘控制 mov a,#0ffh mov p2,a mov a,p2 jnb acc.0,jia jnb acc.1,jian jnb acc.2,ff 精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 15 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 15 页，共 22 页 -

27、 - - - - - - - -图 3-2 数码显示流程图图 3-3 中断子程序流程图 jnb acc.3,zz jnb acc.4,tz ajmp cc jia: cjne r0,#0ffh,aa ；实现电机加速 ajmp cc aa: mov a,r0 add a,#25 mov r0,a ajmp cc jian: cjne r0,#00,bb ；实现电机减速 ajmp cc 精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 16 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - -

28、- - - - - - 第 16 页，共 22 页 - - - - - - - - -bb: mov a,r0 subb a,#25 mov r0,a ajmp cc cc: mov a,r0 ；数码显数 mov b,#25 div ab mov b,#10 div ab mov 40h,a mov 41h,b setb ex0 lcall tts ；调用延时 lcall tts ；调用延时 lcall tts ；调用延时 lcall tts ；调用延时 reti ff: setb p1.6 ；电机反传 clr p1.7 lcall tts lcall tts lcall tts 精品学习资料

29、 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 17 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 17 页，共 22 页 - - - - - - - - - setb ex0 reti zz:clr p1.6 ；电机正转 setb p1.7 lcall tts lcall tts lcall tts setb ex0 reti tz: clr p1.6 ；实现电机停止 clr p1.7 lcall tts lcall tts lcall tts setb ex0

30、reti tts: mov r3,#0e0h ；延时子程序tt1s: mov r4,#40h tt0s: djnz r4,tt0s djnz r3,tt1s ret end 精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 18 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 18 页，共 22 页 - - - - - - - - -4.4 仿真图在该设计中，利用 proteus 软件进行仿真。仿真结果如图3-4 所示: 图 3-4 仿真图相应电机的显示如图

31、3-5 所示图 3-5 仿真结果精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 19 页，共 22 页 - - - - - - - - -精品学习资料 可选择p d f - - - - - - - - - - - - - - 第 19 页，共 22 页 - - - - - - - - -4.5 仿真结果分析当仿真开始运行时， 各个模块处于初始状态。 点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。 显示模块便开始显示数字， 然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变pwm 脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。五 心得体会通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识, 也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固， 同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过程中， 我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：