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: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 . 4 2.2直流调速系统实现方式 . 5 2.3 8051单片机简介三 硬件电路设计 . . 7 3.1 PWM波形的程序实现 . 7 3.2直流电动机驱动 . 8 3.3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

2、结果分析 . 18 五 心得体会 . . 18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 ,

3、 此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟 系统无法实现的功能。关键字 :80c51单片机; PWM 调速技术;直流电动机一 引言1 绪论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1采用全控型的开关功率元

4、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

5、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、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

6、, 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

7、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,

8、 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 控制与变换器传递函数如图所示, 用最少拍方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 /Cr C c 其中:U 电压; R内励磁绕组本身的电阻; 每极磁通 (Wb; C c 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

9、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, y图 2 晶闸管直流电机速度调节系统简化框图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

10、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 max V ,占空比为 D=1t /T,则电机的平均速度为:D max V =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。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 d U 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

11、 的值有三种方法: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1. 8051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2. 8051单片机引脚图 8051单片机引脚图三 硬件

12、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。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 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

13、 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 ,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 EN

14、A 、 ENB :使能端,输入 PWM 信号IN1、 IN2、 IN3、 IN4:输入端, TTL 逻辑电平信号OUT1、 OUT2、 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。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

15、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 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;当电机反转时,突然掉电 D2、 D3导通, D1、 D4截止。 续流电路工作原理图四 软件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

16、待中断状态 .ORG 0000HAJMP STARTORG 0003HLJMP INT0; T0中断ORG 000BHLJMP 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 0MOV R1,#00H ;给 R1送值 0CLR P1.5 ;置 0CLR P1.6 ;置 0CLR P1.7 ;置 0MOV TMOD,#01H ;写控制字 控制方式 MOV TL0,#0FFH ;置定时常数MOV TH0,#0FFHSETB EA ;允许中断SETB EX0 ;允许外部中断 0SETB ET0 ;允

17、许 TL0中断CLR IT0SETB TR0 ;启动 TL0 图3-1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,#TABMOV 40H,#0 ;置 0MOV 41H,#0 ;置 0LED: SETB P1.1 ; P1.1置 1CLR P1.2 ; P1.2清 0MOV A,40H ;将 40H 的内容送往 AMOVC 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 0SETB P1.2 ; P1.2置 1MOV A

18、,41H ;将 41H 的内容送往 AMOVC 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 0LJMP LED ;跳转到 LEDORG 2000HTAB: DB 40H,79H,24H,30H,19HDB 12H,02H,78H,00H,10H4.3 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:ITT0: CPL P1.5 ; P1.5口取反 JNB P1.5,Z1MOV A,#0FFH ;低电平定时 SUBB A,R0MOV TH0,ASETB TR

19、0 ;启动 TL0 RETIZ1:MOV TH0,R0 ;高电平定时 SETB TR0RETIINT0:CLR EX0 ;实现键盘控制 MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,JIAJNB ACC.1,JIANJNB ACC.2,FF 图 3-2 数码显示流程图 图 3-3中断子程序流程图 JNB ACC.3,ZZJNB ACC.4,TZAJMP CCJIA: CJNE R0,#0FFH,AA ;实现电机加速AJMP CCAA: MOV A,R0ADD A,#25MOV R0,AAJMP CCJIAN: CJNE R0,#00,BB ;实现电机减速AJMP C

20、CBB: MOV A,R0SUBB A,#25MOV R0,AAJMP CCCC: MOV A,R0 ;数码显数 MOV B,#25DIV ABMOV B,#10DIV ABMOV 40H,AMOV 41H,BSETB EX0LCALL TTS ;调用延时 LCALL TTS ;调用延时 LCALL TTS ;调用延时 LCALL TTS ;调用延时 RETILCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETILCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETILCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETITT

21、S: MOV R3,#0E0H ;延时子程序 TT1S: MOV R4,#40HTT0S: DJNZ R4,TT0SDJNZ R3,TT1SRETEND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 3-5所示 图 3-5仿真结果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