经济型直流电机PWM闭环调速系统设计2_图文

1、!墨垡皇±垫查!兰QQ!±箜!塑:_蛋蠲囵墨固殂经济型直流电机PWM闭环调速系统设计孙宜王东(山东兖州矿区职工大学邹城273500(上海交通大学上海200030摘要介绍了以廉价单片机AT89C2051为核心的直流电机PwM调速系统的原理,给出了一种PwM信号发生器实用电路,以及直流电机速度闭环控制的软件实现方法,系统已在某跑步机的调速控制中应用,效果良好。关键词单片机系统PwM直流电机调速功率场效应管l引言采用硬件逻辑电路实现的PwM速度闭环控制系统已在实践中广泛应用,但其硬件电路极其复杂,调整也比较困难,缺乏控制的灵活性。本文介绍一种以廉价单片机AT89C2051为控制核

2、心的直流电机PWM调速控制系统,通过软件编程就可以改变l2冀控制算法,控制灵活,价格低廉。该系统已在某型号跑步机的调速控制中应用,使用效果良好。2PwM信号发生器设计PWM信号发生器是由单片机和PWM脉冲发生电路两部分组成,其原理如图1所示。O'口a7CL冀O口5aRST口,口2图l PwM信号发生器工作原理PwM脉冲可由具有PwM输出口的单片机(如80C552、80C198等通过编程产生,或者由单片机外扩8253来构成脉宽调制器,还可以采用PwM专用芯片。在实践中我们采用通用集成电路4585和4040设计了一种专用的PwM脉冲发生电路。当12位二进制串行计数器U4(4040的RST

3、引脚为1(高电平时,Q2Q9均为o(低电平。当RST为o时,CI。K引脚每来一个脉冲,计数器加1。当系统晶振频率为12MHz时,Q2Q9由全o变为全1的时间为42.5弘s。2片4位数值比较器U2、U3(4585串联组成8位数值比较器,其A组输入端接U4的Q2Q9,B组输入端由U1的P1口送入预置数。当A组输入小于B 组输入时,U2的13脚输出低电平,否贝IJ U2的13脚输出高电平,这样在U2的13脚就产生了脉冲信号,其占空比为(256一/256,周期为42.5ps。这里U1选择美国ATMAI。公司的AT89C2051,其芯片结构和指令系统与51系列单1|一一一_一|訇经济型直流电机PWM闭环

4、调速系统设计片机兼容,内部有2kB闪速存储器,无需外扩EPROM,而且仅有20条引脚,管脚排列参见图1。该芯片市场价格仅十几元,具有良好的性能价格比,特别适用于小型经济型控制器。在本系统中,由U1的P1口向8位数值比较器u2和U3传送预置数,改变就可以改变PwM脉冲的占空比。3直流电机驱动系统设计直流电机驱动系统原理如图2所示。图2直流电机驱动系统原理PWM信号发生器生成的PwM信号经施密特反相器U5驱动光电耦合器01,送至直流电机驱动电路。大功率开关管Y1选择沟道VMOS功率场效应管,其为压控元件,具有很高的输入阻抗,因而驱动功率很小,对驱动电路的要求也较低。可以将01传送来的PwM信号,经

5、并联使用的六施密特反相器,直接接到Y1的栅极上对Y1进行驱动。稳压管D1和电阻R6构成保护电路。VMOS功率场效应管Y1的漏极接直流电机电源的正端,Y1的源极接直流电机绕组,并经感抗器连接直流电机电源的负端。快速关断二极管D2起保护作用,消除Y1开关过程中由电机绕组产生的感应电势。图中没有画出过电流保护电路部分。4直流电机速度闭环控制的软件实现方法U1的P3.3、P3.4分别接升速按钮S1和降速按钮S2。当S1键按下时,将送到Pl口的预置数减1以增大PwM信号的占空比;当S2按下时,将N加1以减小PWM信号的占空比。在进行软件编程时应加入键盘去抖、速度限幅等处理程序。系统采用计时法测量电机转速

6、。电机的输出轴装有测速盘,其上沿圆周方向均布32个孔,采用透射式光电传感器,其输出信号经施密特触发器整形后输入2051的P3.2口。每当转至小孔处,光电传感器接收端接收到信号,引起2051外部中断。2051的定时器T1设定为16位定时器方式,初始化THl,TLl为#00H。在外部中断程序中启动定时器T1,然后中断返回。当下一个外部中断到来时,读取THl、TLl的值,即两孔问电机运行时间f。依据系统的机械结构尺寸,通过计算得出电机各档速度下的丁值,组成速度时间表。当电机处于某档速度时,测量所得到的f值,如比较从速度时问表中查出的丁值大,则说明电机速度比设定的低,此时可通过增大PwM脉冲的占空比提

7、高电机的转速,反之,则通过减小PWM脉冲的占空比降低电机转速。这样通过软件编程,就实现了直流电机的速度闭环控制。实践中,应采用数字滤波去除抖动或外部干扰的影响。5电机转速显示电路的设计本系统采用高集成度的MAX7219串行I。ED 显示驱动器,由它驱动8位LED数码管进行显示,其中前4位显示当前运行速度,后4位显示系统预置速度。MAX7219的数据输入端DIN,时钟端CI.K,数据锁定端I。0AD分别接2051的P3.o, P3.1和P3.5管脚,如图3所示。通过改变电阻R4的阻值,可以调节I。ED的显示亮度。图3电机速度显不电路由于采用高集成度的MAX7219,系统的硬件电路得以大大简化。而

8、且由于MAX7219采用片内动态扫描工作方式,这可以显著降低系统功耗。参考文献1巨永锋.单片机控制的PwM系统设计.电气自动化,1996(52王志良.电力电子新器件及其应用技术.北京:国防工业出版社,1995作者简介孙宜男.1994年毕业于山东矿业学院机电工程专业。现任职于山东充州矿区职工大学实习实验中心.主要从事机电一体化方面的教学和科研工作。 经济型直流电机PWM闭环调速系统设计作者:孙宜, 王东作者单位:孙宜(山东兖州矿区职工大学,邹城,273500, 王东(上海交通大学,上海,200030刊名:现代电子技术英文刊名:MODERN ELECTRONIC TECHNIQUE年,卷(期:20

9、01,""(11被引用次数:0次参考文献(2条1.巨永锋单片机控制的PWM系统设计 1996(052.王志良电力电子新器件及其应用技术 1995相似文献(10条1.学位论文龚道雄直十AFT09随动系统的研究1998该文探索了高精度伺服系统的设计,综合运用机电一体化领域和自动控制领域的各项关键技术,如PSD检测传感技术,从属控制技术,模糊控制技术,PID控制技术,PWM驱动技 术,谐波齿轮精密传动技术,80C196MC16位单片机应用技术,MATLAB with SEMULINK仿真技术等,完成了直十AFT09随动系统的机械、电子部分的设计,为瞄准线赋予了自动跟踪功能 ,并使

10、武器线的随动获得了优良的快速性,稳定性和鲁棒性,整个系统具有仿人智能的特点.应用MATLAB仿真的结果证实,所设计的系统满足设计要求,跟踪输人信号的效果良好.整个系统结构合理,技术先进,功能完备,可极大的减轻战斗人员的负担. 2.期刊论文李维军.韩小刚.李晋基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统-机电一体化2004,10(5介绍了基于单片机用PWM实现直流电机调整的基本方法,直流电机调速的相关知识,及PWM调整的基本原理和实现方法.重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件产生PWM信号的途径,并介绍了一种独特的通过采用计数法加软件延时法实现PWM信号占空比调节的方法.对于直流电机速度控制系

11、统的实现提供了一种有效的途径.3.学位论文周娟基于单片机的温室大棚智能清洁机2007随着人们对绿色食品、新鲜有机食品需求的不断追求和增大,温室种植、养殖发挥着越来越重要的作用,也为农户带来了更多的经济效益。为了提高温室大棚的透光率,使作物增产增收,本课题研究设计一款温室大棚智能清洁机,实现温室大棚顶部的半自动或全自动清洁。本文参阅了国内外有关清洁设备和清扫机器人的研究现状,在综合比较国内外同类产品的基础上,提出适合普通农户使用的温室大棚智能清洁机的研究目标和研究内容。在温室大棚智能清洁机的整体设计方案中确定了其功能和组成结构。清洁机的功能主要是在温室大棚顶部行走和清扫、吸尘。清洁机按机械结构来

12、划分,包括行走模块、吸尘模块和控制系统。控制系统有主控单元、执行电机部分、传感器部分、遥控部分和电源部分。清洁机采用3轮车体结构,中心前轮为万向随动轮,两个后轮为主动轮,分别由两个电机独立驱动,依靠两轮的转速差实现转向。在清洁机行走的过程当中,通过吸尘口将毛刷扫起的灰尘和碎屑吸入尘仓。在控制系统的硬件设计方面,考虑到存储、接口资源、数据处理能力以及可靠性等,主控制器选择了ATMEL公司的AT89C52单片机,所构成的双CPU应用系统功能强、性价比高,适合控制功能的要求。主动轮驱动电机、吸尘电机和毛刷电机均采用直流电机。主动轮驱动电机采用PWM控制,8253定时器/计数器产生频率固定脉宽可调的P

13、WM脉冲,由H桥PWM集成功放电路芯片L298完成两个直流电机的驱动和控制;吸尘电机和毛刷电机均由场效应管来驱动。在传感器部分,增量式光电编码器对轮速进行检测,实现主动轮驱动电机的闭环PID控制:红外对管实现尘仓仓满检测。遥控器选用无线电遥控,实现对清洁机的遥控控制。在软件设计方面,通过分析底层与路径规划算法的衔接,实现了清洁机PID校正算法和路径规划算法的设计,并实现主控程序、遥控程序和传感器检测等子程序。分部设计研究后,将清洁机的分部模块整合进行联合调试。4.期刊论文孙宜.王东经济型直流电机PWM闭环调速系统设计-电气传动自动化2002,24(1介绍了以廉价单片机AT89C2051为核心的

14、直流电机PWM调速系统的原理,给出了一种PWM信号发生器实用电路,以及直流电机速度闭环控制的软件实现方法。5.学位论文蓝若明智能型液体燃油加热器控制系统的设计与研究2004该文从介绍燃油液体加热器的基本概念及工作原理出发,通过对国内外汽车燃油加热器技术比较及发展的分析,提出了开发新一代燃油加热器控制系统的必要性.根据单片机的选型原则,该控制系统采用MicroChip公司的PIC16F87X单片机作为核心控制芯片.该单片机具有低功耗、高速度、体积小、功能强等特点,其强大的外围功能模块(如模/数转换模块、PWM波输出模块等,大大省去了单片机系统扩展带来的麻烦,并且提高的系统的可靠性.在该文的第三章

15、,首先介绍了系统的硬件结构框图和针对燃油液体加热器的控制流程,然后详细的阐述了各部分电路的工作原理和实现方法.需要说明的是,因为燃油液体加热器的工作环境是比较恶劣的,因此,在该系统中,控制流程的实现是比较简单的,其中最大的难点在于系统的可靠性运行.所以,该控制系统在完成加热器基本功能的基础上,增加了大量保证各控制部件可靠运行的安全保护措施,在第三章中也进行了详细的阐述.最后,阐述了系统的软件设计原则、编程心得和软件的流程图.在燃油液体加热器中,点火电热丝和主电机是两个最关键的部件.电热丝是一个很易损坏的部件,而且它的性能直接关系到加热器点火效果.在第四章,对电热丝进行了重点的阐述,包括电热丝电

16、路的原理、恒压控制方法、电热丝的短路和开路检测方法等.主电机是加热器中另一个关键的部件,它的工作的好坏直接关系到加热器的燃烧效果和发热量.在第五章,也专门进行了阐述,包括主电机电路的原理、恒压控制方法、主电机的短路和开路检测方法等.由于单片机系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的,其应用的可靠性、安全性就成为一个非常突出的问题.在该文的第六章,详细的论述了在该控制系统中存在的主要的干扰类型和相应的抗干扰措施.在该文的最后一章,详细的介绍了一种基于Lab Windows/CVI的虚拟测试系统,用于对控制器系统进行产品测试和故障诊断.6.学位论文刘恩茂汽车电控机械式自动变速器设计研究2002该文的内

17、容主要包括两个部分:AMT系统的控制策略的研究和单片机系统硬件的设计.在系统控制策略研究部分,该文根据车辆系统动力学模型的复杂性以及控制的复杂性,将AMT控制系统划分为两个子系统:一个子系统用于在车辆起步和换档时,根据驾驶员起步意图和车辆行驶工况,实时获取离合器的接合规律;另一个则用于具体实现和跟踪该接合规律的执行.硬件设计部分的内容则相对比较广泛,主要包括四个方面:1传感器选择 2单片机系统整体结构设计 3单片机接口电路设计 4直流伺服电机驱动电路设计7.期刊论文郭海英.GUO Hai-ying微机控制PWM直流调速系统的设计-机电工程技术2006,35(5介绍了用PWM实现直流电机调整的基

18、本方法.本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上,提供一种用单片机软件实现PWM调速的方法,以及直流件延时实现PWM信号调节的方法.为采用纯软件对电机速度的平滑调节提供了一种不错的解决方案,经过在"油辊电机控制系统"中的实际应用证明,能够取得满意的效果.8.学位论文秦科强机车速度传感器校验仪的研制2004为了解决对机车速度传感器校验的问题,本论文研制了机车速度传感器校验仪.以电力电子学和电机调速技术为基础,本文设计了一种基于PWM控制技术的直流电机调速控制系统;为了得到好的动静态性能,该控制系统采用了双闭环控制.同时采用了单片机做为校验仪的辅助单元,该单元与光电速度传

19、感器共同实现速度测量的功能,同时完成了人机交互的任务.对于调速系统中要用到的大功率半导体开关器件,本文选用的是IGBT.论文中对IGBT应用时要注意的各个技术方面进行了详细的讨论,给出了专用IGBT驱动芯片M57962L的内部结构和应用电路.论文对PWM控制的原理进行了说明,重点对集成PWM控制器SG3525做了介绍,分析了SG3525的内部结构和外部电路的接法,并给出了它在系统中的应用电路.论文对系统中用到光电速度传感器和霍尔电流传感器的原理和应用也进行了介绍.文中描述了机车速度传感器校验仪中单片机系统的软件和硬件设计过程.论文最后分析了系统的静动态特性,结果表明双闭环控制对系统的性能有很大的改善,即双闭环控制系统有响应快,静态稳定性好的