基于单片机直流电机可逆系统的设计

PAGEPAGE1湖南工程学院课程设计任务书课程名称电机控制题目基于单片机直流电机可逆系统的设计专业班级学生姓名学号指导老师审批任务书下达日期设计完成日期设计内容与设计要求直流电机的功率为0.75KW，额定电压：200V。供电电源为220VAC。一．设计内容1、器件的选型。（单片机的选型，功率器件，以及其他器件的型号及参数）

2、驱动器的完整的电路设计。（包括速度给定，正反转给定、制动）3、电机速度、电流双闭环的系统。4、单片机的程序流程图。(包括直流电机四象限运行的情况,即:正转电动,正转发电,反转电动,反转发电的四个状态)二．设计要求给出整体设计框图，画出系统的完整的原理图；说明所选器件的型号，参数。给出具体电路画出电路原理图；单片机的程序流程图。编写设计说明书。说明书格式课程设计封面；任务书；说明书目录；设计总体思路，基本原理和框图；电路设计；程序流程图；编写设计说明书；总结与体会；附录；参考文献；课程设计的原理图。进度安排十六周星期一：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；十六周星期一——十五周星期五：查找资料，确定设计方案，画出草图。十七周星期一上午——星期二下午：电路设计，打印出图纸。星期三：书写设计报告；星期四：书写设计报告；星期五：答辩。目录目录 4摘要 41．系统论述 61.1设计思路 61.2基本原理 61.3总体设计框图 72．直流电机单元电路设计与分析 82.1PWM电机调速原理 82.2电流双闭环的系统 92.3电机驱动模块的电路设计 112.4程序设计流程图 122.5直流电机的中断键盘控制模块 122.61602LCD液晶显示模块 153．直流电机PWM控制系统的实现 183.1总电路图 183.2总电路功能介绍 183.3总程序流程图 195．总结与体会 20附录 22参考文献资料 23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。本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。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，单片机在程序控制下，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可靠性，使整个系统的性能得到提高。1．系统论述1.1设计思路直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和IR2301直流电机驱动模块组成。1.2基本原理主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和IR2301直流电机驱动模块组成。1.3总体设计框图系统组成：直流电机PWM调速方案如图1.1所示：方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。图1.1直流电机PWM调速方案2．直流电机单元电路设计与分析2.1PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为图2.1所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导图2.1施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：U=U·D……………式1.4由式1.3得到：n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD；在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。图2.2为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系。2.2转速与占空比的关系由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。2.2电流双闭环的系统（1）调速系统总体设计双闭环直流调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2.3双闭环调速系统框图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2.4所示：图2.4双闭环直流调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2.3电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地]连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示●2SK1058:CMOSS管●74L26:三太门●1N4006:二极管●VSCOURCE:电源●MOTOR-ENCODER:直流电机●RES:电阻●AT89C51:单片机(在此并未显示) 图2.8直流电机驱动电路图2.5直流电机驱动电路2.4程序设计流程图图2.7定时中断服务流程图2.5直流电机的中断键盘控制模块2.5.1外部中断设置（1）外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放外部中断0的设置：SETBEX0SETBEA开放外部中断0和1的设置：SETBEX0SETBEX1SETBEA（2）外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0电平触发设置方法：CLRITX，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法：SETBITX＝1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。（3）外部优先级设置外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。×××PSPT1PX1PT0PX02.5.2外部中断扩展方法在图2.11为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号，X1代表是加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信号，X5=0表示停止处理。图2.8外部中断扩展电路当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图2.9。图2.9中断服务流程2.61602LCD液晶显示模块2.6(1)引脚分布1602液晶显示共有16个引脚，其引脚分布如图2.10所示。图2.101602液晶显示模块引脚分布(2)引脚功能1602引脚功能如表2.1所示表2.11602引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSSVSS为地电源9D2DataI/O2VDDVDD接5V正电源10D3DataI/O3VEE液晶显示偏压信号11D4DataI/O4RS0输入指令，1输入数据12D5DataI/O5R/W0写入指令或数据，1读信息13D6DataI/O6E1读取信息，1→0执行指令14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正极8D1DataI/O16BLK背光源负极2.6.2LCD液晶电路图2.111602液晶显示模块组成显示程序流程图如2.12所示图2.12程序流程图3．直流电机PWM控制系统的实现3.1总电路图图3.1总电路图3.2总电路功能介绍直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出。直流电机转动速度由LCD液晶显示。操作开关状态由液晶显示器显示。3.3总程序流程图该系统经实际运行，可以满足在功能键的操作下对时间进行设定，控制电机的启动、正反向转动、停止，状态指示灯正确显示工作状态，LCD正常的显示了时间。图3.2程序流程图5．总结与体会这次课程设计是一次非常好的锻炼机会,历时二个星期左右，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

这次设计就我个人而言，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。学到的东西，将对我以后的发展有着重要的指导作用，在毕业前的这段时间内，这次学习对我的确很重要。这次的课程设计让我学到了如何务实，如何去学一门技术，同时也知道了如何学习，什么才是学习。如果每天都能像这样的学习，大学四年的课程，一年就够了，或许还不要。这次设计的学习比我在读高三时都还累。技术学到了一点，也许会忘记，学习的方法学到了，是一辈子的财富。同时这段时间也是值得回忆的。由颜老师给我们上课，给我们解决问题。现在看看自己以前自学的一点东西，学了都有将近四年了，还是一个新手。这次学习让我知道了，只要想学，2个星期就够了，关键是有没有毅力和压力。自学的更是这样的，没有周围人的压力，就要自己去找压力。现在学到的东西，在以后的工作中一定也会学到，但我毕竟早了几年知道这个道理，它在书本上是学不来的，一定要自己经历了，在实践中才学得到。感激学院让我们有这