直流电机PWM调速器设计

1、课 程 设 计 任 务 书目 录摘 要. 2 1 直流电机. 3 1.1 直流电机特性. 31.2 直流电机的原理. 31.3 直流电机的主要技术参数. 31.4 直流电机调速技术指标. 32 单片机的相关知识. 42.1 单片机简介. 42.2 单片机的特点. 42.3 AT89C51单片机介绍. 53 硬件电路设计. 63.1 PWM波形的程序实现. 63.2 直流电动机驱动. 73.3 续流电路设计. 84 软件设计. 94.1 主程序设计. . 94.2 数码显数设计. 104.3 功能程序设计. 104.4 仿真图. 134.5 仿真结果分析. 155 学习心得体会. 15参考文献.

2、 16摘 要本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。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，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在过程控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型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。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和

3、可靠性，使整个系统的性能得到提高。关键词：AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制1 直流电机1.1 直流电动机特性直流电动机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，优异的动态特性。目前仍然是大多数调速控制电动机的最优选择。近年来随着计算机进入控制领域，以及PWM控制方式成为主流。应用单片机技术和脉宽调制技术对直流电动机进行调速控制，是各种智能化产品的首选方案。如今，计算机软件和硬件技术的快速发展，在许多领域都有成熟的仿真软件在应用。Inter公司推出的Proteus是一套基于标准仿真引擎的电路分析、实物仿真系统。该软件具有交互式动画仿真，基于图形的仿真和基于微控制器的仿真三种模式。其最大

4、的特点就在于它能够仿真单片机及其外围芯片。通过Proteus软件仿真可以更好地帮助学生及工程师运用单片机技术进行计算机控制系统的设计。1.2直流电机工作原理直流电机模型如图1.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体表面固定线圈abcd。当线圈流过电流时，线圈受到电磁力作用，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，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。图1.2直流电动机电路模型1.3直流电机主要技术参数额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机负载能力。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：

5、单位时间内的电机转动快慢。励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。 1.4直流电机调速技术指标 调速范围调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速与最小 转速之比，即调速的相对稳定性和静差度所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变化，它决定于机械特性的斜率。静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值，用百分数表示，即 ，在一般情况下，取额定转矩下的速度落差，有 调速的平滑性调速的平滑性是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平滑系数表示，即 式中和相邻两级，即i级与i1级的速度。 调

6、速时的容许输出调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴能够输出的功率和转矩。2 单片机识的相关知识2.1 单片机简介单片机全称为单片机微型计算机（Single Chip Microsoftcomputer)。从应用领域来看，单片机主要用来控制，所以又称为微控制器（Microcontroller Unit）或嵌入式控制器。单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机。2.2单片机的特点1 . 单片机的存储器ROM和RAM时严格区分的。ROM称为程序存储器，只存放程序，固定常数，及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。2 . 采用面向控

7、制的指令系统。为满足控制需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是单片机具有很强的位处理能力。3 . 单片机的I/O口通常时多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。4 . 单片机的外部扩展能力很强。在内部的各种功能部件不能满足应用的需求时，均可在外部进行扩展，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来了很大的方便。2.3 AT89C51单片机介绍VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时

8、，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程 序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作 输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻 拉高，

9、且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能 图 2.1 89C51单片机寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故

10、。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编

11、程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器 时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

12、（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。3 硬件电路设计3.1 PWM波形的程序实现改变占空比可以改变电枢端电压，改变占空比的方法有 3种，即定宽调频法，调宽调频法和定频调宽法，前两种方法均改变了信号的频率，当频率与系统固有频率接近时，将引起振荡，故应用较少。目前在直流电动机的控制中以PWM控制方式为主PWM信号的产生通常有两种途径。传统的方法是利用硬件电路实现。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

13、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载人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所示 ： 图 2 、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作为主开关组件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关组件.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 图3 、L298内部结构和功能

14、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。其内部结构和引脚功能如图 3所示。 表3.1 L298 引脚符号及功能引脚功能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、OUT2、OUT3、OUT4输出端，与对应输入端同逻辑VCC逻辑控制电源，4.57VVSS电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高GND地当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,

15、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

16、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。图3.7 续流电路工作原理图4 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 ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0030H ；系统初始化START: MOV SP,#60H ；赋初值 MOV R0,#00H ；给R0送值0 MOV R1,#00H ；给R1送值0CLR P1.5 ；置0 CLR P1.6 ；置0 CLR P1.7 ；置0 M

17、OV TMOD,#01H ；写控制字 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4.1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 MOV 41H,#0 ；置0LED: 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+D

18、PTR ；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 2000HTAB: DB 40H,79H,24H,30H,19H DB 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

19、：ITT0: CPL P1.5 ；P1.5口取反 JNB P1.5,Z1MOV A,#0FFH ；低电平定时 SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0 ；启动TL0 RETIZ1:MOV TH0,R0 ；高电平定时 SETB TR0 RETIINT0:CLR EX0 ；实现键盘控制 MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV A,P2JNB ACC.0,JIA JNB ACC.1,JIAN JNB ACC.2,FF 图4.2 数码显示流程图 图4.3中断子程序流程图 JNB ACC.3,ZZ JNB ACC.4,TZ AJMP CCJIA: CJNE R0,#0FFH,A

20、A ；实现电机加速 AJMP CCAA: MOV A,R0 ADD A,#25 MOV R0,A AJMP CCJIAN: CJNE R0,#00,BB ；实现电机减速 AJMP CCBB: MOV A,R0 SUBB A,#25 MOV R0,A AJMP CCCC: 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 RETIFF: SETB P1.6 ；电机反

21、传 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETIZZ:CLR P1.6 ；电机正转 SETB P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITZ: CLR P1.6 ；实现电机停止 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITTS: MOV R3,#0E0H ；延时子程序TT1S: MOV R4,#40HTT0S: DJNZ R4,TT0S DJNZ R3,TT1S RET END4.4 仿真图在该设计中，利用Proteus

22、软件进行仿真。Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对51、PIC、AVR、HC11、ARM等处理器的仿真软件。最后，点击运行按钮，启动系统仿真，图中电机处于初始化状态。仿真结果如图4.4所示。 相应电机的显示如图4.5所示 图4.5仿真结果24.5 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。 5 学习心得体会通过本次课程设计，使我学到