(完整word版)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 .21.2数字控制器 D(z) .5二 直流电动机调速概述 .42.1直流电机调速原理 .42.2直流调速系统实现方式 .52.3 8051 单片机简介三 硬件电路设计 73.1 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104.1 主程序设计104.2 数码显数设计114.3 功能程序设计124.4 仿真图174.5 仿真结果分析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

2、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

3、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1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

4、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

5、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， 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

6、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

7、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

8、字控制器D(z),Wxekuk1 e Ts u21yDW(z)D( z)ss 1212s 7sy图 2晶闸管直流电机速度调节系统简化框图二 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/Cr Cc其中： 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

9、饱和的限制，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关系图根据上图，如果电机始终接通

10、电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1 /T ，则电机的平均速度为：VD =V max *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 U d 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：A、定宽调频法：保持t1 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

11、，只改变 t1 ，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 t1 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，

12、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，频率为比为 1：开始系统初始化正转？反转？停止？YYY发正转命令发反转命令发停止命令若 PWM波形的50 Hz ，占空1，则和 R0 载调显示子程序入 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

13、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 ,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

14、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。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

15、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。VSD1D2M1-+MD3D4Y1Y2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 0000HAJMP STARTORG 0003HL

16、JMP 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；允许 TL0 中断CLR IT0SETB TR0；启动 TL0开 始系统初始化正转？反转？停止？调显示子程序3-1 主流程

17、图4.2数码显数设计Y 发正转命令Y 发反转命令Y 发停止命令图通过 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,41H；将 41H的内容送往 AMOVC A,A+DPTR；

18、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,#0FFHSUBB A,R0MOV TH0,A；低电平定时SETB TR0；启动TL0RETIZ1:MOV TH0,R0SETB TR0RETI；高电平定时INT0:CL

19、R EX0MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,JIAJNB ACC.1,JIANJNB ACC.2,FF；实现键盘控制图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,AAAJMP CCAA: MOV A,R0ADD A,#25MOV R0,AAJMP CC；实现电机加速JIAN: CJNE R0,#00,BBAJMP CC；实现电机减速BB: MOV A,R0SUBB A,#25MOV R0,AAJMP CCCC: MOV A,R0MOV B,#25DIV

20、ABMOV B,#10DIV ABMOV 40H,AMOV 41H,BSETB EX0；数码显数LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSRETI；调用延时；调用延时；调用延时；调用延时FF: SETB P1.6CLR P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTS；电机反传SETB EX0RETIZZ:CLR P1.6SETB P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETI；电机正转TZ: CLR P1.6CLR P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETI；实现电

21、机停止TTS: MOV R3,#0E0HTT1S: MOV R4,#40HTT0S: DJNZ R4,TT0SDJNZ R3,TT1SRETEND；延时子程序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