【单片机控制的PWM直流电机调速系统的设计7200字（论文）】

单片机控制的PWM直流电机调速系统的设计目录TOC\o"1-2"\h\u25545摘要 125545一、引言 摘要：本文设计了一种基于STC12C5A60S2单片机的PI调节器的直流电机调速控制系统，该系统有着死区控制、结构简单、可靠性较高等优势。系统主控为单片机，具有按键输入、液晶显示等外围功能，人机交互良好。H桥驱动电路采用分立元件设计，加上带自举电路的IR2104半桥驱动电路，实现对MOS晶体管的控制。此外，电路中增加的逻辑电路实现了一个PWM信号驱动电机，降低了对单片机的要求，并使用较少的单片机资源来实现相同的驱动效果。基于运算放大器设计的PI控制器使系统能够有效地跟踪速度，并将速度稳定到给定值。关键词：STC12C5A60S2单片机；PI调节器；PWM；闭环直流电机调速一、引言（一）研究意义在自动化时代，能够驱动和控制电气和机电设备的智能设备的必要性增加了。微控制器的快速发展使之成为可能。在许多现代工厂中，所有类型的机电设备都由微控制器产生的PWM信号来使用和控制。直流电机的速度控制主要有两种方式；机械和电气。机械方法需要大的硬件和更高的成本。但电法体积小。因此在这项工作中直流电机的速度控制是采用电气方法实现的。为了提高材料的生产率，有必要提高直流电机的转速。这种技术在国内和工业上都有应用。降低电机转速稳态误差，提高电机调速性能。使用8位微控制器需要更多复杂的硬件，其中16/32位微控制器包含一些额外的处理功能和先进的PWM技术，因此使用该微控制器是本项目的明智选择。使用STC12C5A60S2根据要求控制直流电机的实际速度[1]。该项工作的主要任务，是熟悉基于微控制器的直流发电机速度控制系统的软硬件设计与实现。在今天的现代工厂中，直流电动机的使用日益增多。直流电机的控制可以通过电气或机械方式完成。直流电机的控制需要智能设备。（二）研究现状在研究国内外论文的过程中，了解到直流电机控制主要用于两个部分：变速和位置应用。速度控制的首选要求扭矩可控、简单可靠[2]。更关键的是，直流电机的转速与电枢压降成反关系，与励磁绕组所产生的磁通成反关系，与电源压力成正比。直流电机的工作速率，一般采用电枢的方式加以控制。而在这个方式中，直流电机的速率可以通过采用控制电枢电阻，来调节感应电枢二端的压力降。在改变电机速度的磁通控制方法中，由于磁场绕组的存在，需要改变磁通量。但是磁性能依赖流过磁绕组的电压，因而能够通过变化流经磁绕组的电压来改善磁性能。这能够通过使用与磁绕组电阻器并联的可变电阻器来完成。在电流控制方式中，电枢绕组接受变化电流，而励磁绕组则接受恒定电流。电压控制方式主要有很几种：通过开关的装置机构向电枢绕组供给变化电流，或者另一个通过交流电力驱动的发电机机构向电枢供给变化电流。但目前最实用的技术还是使用脉宽调制(PWM)来提高直流电机的速度。PWM信号广泛由微控制器产生。通过研究论文，他们首先为微控制器提供电源。然后控制器产生5伏直流脉冲，产生的脉冲只是PWM信号。（三）研究目标设计中的控制器为采用单片机的PWM直流电机调速控制。PWM信号由模拟电路、数字集成电路、微型计算机和微控制器产生[3]。PWM信号由微控制器(STC12C5A60S2)产生，因为从数字IC、模拟或微型计算机获得的PWM包含谐波。对于直流电机的转速控制，磁通和电枢控制方法无法提供所需的速度范围。电机分四个象限运行：顺时针、逆时针、递增和递减速度。在4个占空比下产生的PWM信号，其值分别为25%、50%、75%和100%，进而直接调节电机转速。直流电机的速度随电机电压的变化而变化。首先是给STC12C5A60S2供电。STC12C5A60S2产生脉冲，产生的脉冲只是PWM信号，被提供给驱动电路。因此，直流电机的速度由PWM信号控制。可以在运行状态下控制电机的速度。本系统根据STC12C5A60S2的输入及出口数据信息，由单片机实现IO口形成PWM信息，并送往直流电机，直流电机再经过检测电路将实际速度送给单片机控制器，并实现速度指令，以此完成对发电机速度和回转速度的控制，从而实现直流电机调速的目的。二、硬件电路设计在工业自动化中，运动控制很重要。PWM是一种产生高电平和低电平二进制信号的方法。PWM脉冲达到全部电源电压，将增加电机的扭矩。系统硬件框图，如下表显示。该操作系统主要包括了STC12C5A60S2单片机、直流电机和电源。CCP（捕获/比较/PWM）内置于STC12C5A60S2中，可轻松生成PWM信号。这些PWM信号应用于电机驱动IC的使能引脚[4]。直流驱动器改变电机的速度和方向。两个按钮用于改变速度变化的脉冲，另外两个按钮用于控制方向。（一）STC12C5A60S2单片机的组成STC12C5A60S2单片机主要由CPU和外八个元件所构成，它们均采用了片内的单一总线互连方式，其基本组成是普通CPU且有外围芯片，但功能单元的管理引入了对特殊功能寄存器的集中控制[5]。内部程序存储器：在STC12C5A60S2晶片内共计约4K个单位，主要用来储存程式、原始资源以及图形，俗称为内存ROM。定时器：在STC12C5A60S2片中有2个十六位数的定时器，用来同时完成定时器和计算功能，并同时将其定时器或计算结果对计算机进行管理工作。中断控制器结构：该控制器芯片具有五种工作中断源，即外围工作中断二个，内部计时器/计算工作中断二个，和串行工作中断一个。具体构成如图2-1所示：图2-1单片机内部框图（二）硬件系统总体框图本次设计由主控芯片通过驱动电路将信号传递给直流电机，主控芯片由驱动电路、液晶显示、键盘电路三部分构成，具体系统框图如图2-2所示：图2-2电机调速控制系统框图（三）电源模块电机与单片机独立工作，防止了电源的相互干扰。TPS7350系列交流电路可提供2,5v、3V、3,3v、4,85v和5V的固定输出功率，并提供可调版本的集成高精度电源适配器，以监控控制器的输出功率。它还具有低电平复位信号，脉冲长度为200毫秒，电压降非常低。IO=100mA时的最大功率为35mV(TPS7350)，功耗低且安静，不受工作负载影响。与传统的LDO相比，使用PMOS代替典型的PNP晶体管将降低电压和静音功耗。因为PMOS元素是低值电阻，所以压降电流相当低(TPS7350在一百毫安的输出电流下最大为35毫伏)，且和输出电流大小成正比。另外，因为PMOS的通过器件为低压力驱动件，静态输入输出电压范围极小并保持不变，与输入输出负荷多少没关系(在整个输入输出电流范围内，通常为340µa，0mA至500mA)。这二项新技术规格都显著提高了电池系统的寿命。向LDO系统还具备了休眠模式;向EN(启用)应用逻辑高信号会关闭调节器。TSSOP封装选件可降低关键应用的组件高度，对于STC12C5A60S2供电是完全能够胜任的[6]。（四）电机PWM驱动模块1.PWM的基本原理调速方式为PWM也称为脉宽调制，是一种通过产生信号并改变占空比，以实现改变脉宽的方法。同样是一种使用微处理器的输出信号来控制各种应用中的模拟回路的手段，被应用于从计算、通讯到测量等多个领域中。输出频率的变化能够不断改变，但对持续时间和幅度的分辨率都不能限制。2.H桥的驱动电路设计方案图2-3H桥驱动电路原理说明H桥电机驱动电路包含四个三极管和一个电气装置，其形状类似于H，因此而得名。为了使电机顺利运行，有必要驱动对角线三极管中的一个。根据不同的三极管的相对导通或通电情况，电压以不同的方式流经电机系统，从右到左或在相反的位置，进而影响了电子设备的转动方面。其原理如图2-3所示。如果要想让设备正常运转，需要先将H桥对角线上的三极管全部接上。因此，当Q2和Q3被引导时，电流从电源装置的正极流向电机，首先通过Q2，然后通过Q3流向电源装置的负极。同理Q1与Q4也是这样，从电压箭头上可看出，电机朝着顺时针方向转动。3.电机驱动H桥电路设计与分析PWM发动机控制模块电路控制h桥。经过设计和研究，h桥工作电路如图2-4所示。电路中采用了基于PWM原理的驱动集成电路。图2-4H桥驱动电路原理图PWM集成电路主要由复杂的晶体管组成，可通过调节两个输入接口的高电平和低电平来实现开关。两个输入接口的高电平和低电平用于控制晶体管的开或关。当Q1和Q2被关闭时，Q3和Q6被打开，而Q4和Q5被关闭。电机接口为VCC，但没有运行。然后，当Q1打开而Q2关闭时，Q4和Q6打开。发动机的右边是电源，左边是电源线。同时，它也逆时针旋转。此时Q2必须关闭，PWM控制Q1开启和关闭。它可以直接控制电机的转速快慢，以同样的方式，当Q1关闭时Q2开启，Q3和Q5开启，而电机左侧为电源，右侧为地线，发电机沿顺时针方向旋转，此时保持Q1关闭，同时通过PWM控制Q2的电源开启或关闭，就可以调节发电机的转速。（五）显示电路设计LCD是一个点阵式液晶模块，用于表示字母、数字、音符等。每个点阵字符位都能代表一个数值，由相等或一样的点阵字符位组成。每个步骤之间都有一个小空间，这样就充分发挥了文本间隔和行间相距的功用，但也正由于这样，它并不能表示形状。LCD1602液晶显示是指屏幕上显示的内容，本设计中的液晶屏可以表示二行，每一行十六个字符液晶模块(显示字符和数字)。第一行显示转速，第二行显示占空比。LCD1602的液晶实物图则如图2-5所述，而LCD1602的液晶插针图则如图2-6所述。图2-5LCD1602实物图图2-6LCD1602引脚图液晶部分的电路图如图2-7所示：图2-7液晶部分电路图在本设计中，数据的显示主要表现是通过简单的液晶LCD1602显示器。LCD(LiquidCrystalDisplay)是液晶显示屏的英文缩写，它是一个被动型的显示器，液晶电视显示器本身并不发亮，而只是通过液晶经特殊处理后能调节光通过位置的特点，所以成为白底黑字或黑底白字显示器。液晶显示屏有耗电较少、抗干扰能力强、显示清晰等特点。（六）按键电路系统设计采用独立键盘连接方式。按键拖拽的电路设计可以让你把外部网络靠近按钮。这种连接方式在用线连接按钮和微控制器的情况下非常常见。高质量导电材料的长导线表现出较大的发光效应，可能导致信号衰减，这将导致组件的不稳定，从而导致组件的错误行为。该按钮由两个触点组成，一个圆盘和一个弹簧。当按钮被按下时，圆盘在两个触点之间短路。当松开按钮时，弹簧将圆盘推出触点。当按钮变旧时，弹簧往往会变得过于松动。如果在释放按钮时发生这种情况，可能是平板在触点上弹跳的时间不同：这被称为弹跳效应。这种效应会导致虚假的效果，减轻这种效应可以在软件中实现，通过在第一次检测后增加一个死区时间。在硬件中，通过对输入信号进行过滤。硬件去抖是一个比较好的解决方案，因为它基本上需要两个分立的组件，避免了软件的工作方式[8]。基本上，这可以通过在按钮网络和GPIO之间添加一个低通滤波器来实现。综上，将按键电路如图2-8所显示：图2-8按键部分电路（七）霍尔元件电路基于霍尔效应，人们把用零点五导体材质制成的电子元仪器就叫霍尔元器材。它具有了对电磁灵敏、结构简便、容积小、对信号频率的反应覆盖范围广、输出信号电压变化大和运行时限长等优点，所以，在测控、智能化、电子计算机与信息等应用领域中获得了广泛的运用。单通道高温霍尔效应集成传感器是由霍尔电压发生器、差分放大器、施密特触发器和输出改进电路[9]组成的磁传感器。它的输出是磁感应强度，输出是数字磁盘的变化数据。这是一个单极磁感应电路，适合与矩形和圆柱形磁铁一起操作。它经常被用于制造业中。其接线图如图2-9所示。图2-9霍尔传感器的接线图（八）电路总体原理图图2-10直流电机调速控制系统原理图STC12c5125a602控制输出。PWM信号通过微机的I/o口产生。模拟信号转换使用两个数字信号Q1和Q2。一个芯片的微型计算机输出信号后，连接到两个三角形的底部，控制三角形的断开，然后控制H桥的开/关开关，控制电机的正反转。直流电动机通过霍尔元件测速电路将速度实时发送到微控制器引脚，以显示速度并达成电机转向和速度控制，实现直流电动机的调速。总体原理图如图2-10所示。三、系统软件设计（一）软件程序流程图图3-1主电源示意图是硬件程序的基础。硬件设计完成后，编程可以帮助硬件执行一系列的响应，控制单片机完成信号的处理、转换和输出，是硬件实现完善功能的润滑剂。软件流程图如图3-1所示。使用好4号的开发软件。开发完成后，会创建一个十六进制文件，将其写入微控制器后即可运行。本文的几个基本功能包括:PWM波的产生，电机的运行方式，电机转速的计算，电机转速的测量数据返回LCD屏幕后显示，可通过按键控制点击速度。（二）显示模块在液晶显示程序的设计中，voidwrite_com函数向模块内写入一个字节，写入为控制命令，voidwrite_data函数也会向模块写入一个字节，写入为数据命令，包含向端口打印的数据。write_com(0x01)实现LCD初始化，write_com(0x38)，显示5X7字符，write_com(0x0c)关闭光标显示，通过行控制命令写入、行字符数据写入两个函数的书写，完成LCD显示占空比字样、显示转速的字样，并实时更新，voiddisplaym()函数用于转速数字的显示，转速字符取自于霍尔元件接回的引脚，见附录。通过行控制命令写入、行字符数据写入两个函数的书写，完成LCD显示占空比字样、显示转速的字样，并实时更新，转速字符取自于霍尔元件接回的引脚。（三）键盘扫描控制模块Keyscan()函数设计思路：两个键盘按钮控制正转、反转方向，两个按钮控制占空比加一减一的行为，电机输出的两个引脚分别控制正转方向和反转方向信号，根据按钮的输入状态判断，输出三通道7、8引脚的01信号来控制正反转，并使用延时函数进行按键消抖。按钮1按下为状态0，设定占空比加1，按钮2按下为状态0，设定占空比减去1；按钮3按下为状态0，正转标志位为1，按钮4按下为状态0，正转标志位为0，表示电机反转，程序见附录。（四）中断模块单片机的三个中断分别进行电机转速的记录、显示转速、和产生PWM，其中PWM是能够输出正转信号和反转信号的。外部中断1脉冲记录发动机转速。这台发动机只能转一次。外部中断2使用定时功能降低显示速度;外部中断3建立PWM。我们使用100定时器。发动机启动时，如果在运行周期小于设定值时正向旋转，则输出=0，输出1=1，表示正向旋转填充PWM输出；在启动发动机时,如果它旋转时,运行周期小于设定值,输出=1,和输出1=0,这表明PWM输出的反转。三个微控制器的中断记录发动机的转速，显示转速，并产生PWM，使PWM可以发送正反向信号。四、程序仿真与实际电路调试（一）程序仿真图4-1仿真电路图在本设计中，将使用模板将C程序转换为一个十六进制文件。仿真电路如图4-1所示。我很难编译软件和绘制图形。通过不断检查语法错误和细节信息，在每一个地方进行改进，根据软件的说明发现错误，不断修改程序。在编译后没有错误和警告之前，我最终可以执行饼图和图中的程序。生成的十六进制文件用于仿真电路，通过仿真电路的运行结果对程序进行多次调整。模拟程序完全按照你的要求运行。输出的PWM波形显示在仿真源中。PWM波的产生控制电机的工作模式。电机转速测量数据恢复后，计算电机转速并显示，按下按键即可控制点击速度。（二）实物连接图4-2背部电路连线图图4-3正面电路摆放图在调试运行流程中，也出现了一些系统不安全可靠的问题和和电源故障的问题，稳定性不好的问题较多，如各种金属化孔、外接插件接触不好等会引起系统时好时坏，多级调试和联机调试。最终完成电路连线如图4-2。完成连线后制作出的实物如图4-3，左上方按键为复位键，下方按键从左往右前两个为调速键，即调整占空比的按键，往后分别为正转键、反转键、开始键，调整好按键后按下开始键，电机就能转动，显示屏显示转速及占空比，在占空比为50时，电机正转转速为7660RPM。五、总结本次称重计量设计的题目是直流电动机调速系统，主要包括STC12c5120单片机、直流电动机和电源。采集/比较/PWM(CCP)是建立在stc12c5120c602上的，可以很容易地产生PWM信号。这些PWM信号用于电机接口的启动按钮。直流驱动改变发动机的速度和方向。两个按钮用来改变速度变化的脉冲，另外两个按钮用来控制方向。在整个毕业设计过程中，由于本人对软件和硬件的了解都不够，寻求了许多老师及同学的帮助，同时也参考了大量论文、实例等理论基础，大大提高了我的理论和实践水平。使得我学习到了很多理论和实践知识。让我勇于面对困难，解决问题。本次毕业设计中还存在不足，希望能为我以后的学习与工作提供必要的动力。通过这次毕业设计，我把真正学到的知识付诸实践。在实践中，软件的编程让我棘手，硬件的焊接也让我感到困难，但是一步步的坚持下来之后，会发现学习到了很多，当我日后遇到困难的时候，回想这几个月毕业设计的经历，我想会为我带来诸多益处。参考文献[1]李艳芳,李治慧.基于单片机的无刷直流电机调速控制系统设计[J].电子测试,2021(21):24-25.[2]王山卉.利用单片机控制直流电机调速系统设计[J].甘肃科技纵横,2018,47(03):11-16.[3]王珣,杜茂华,卢培进.基于单片机的PWM直流调速控制系统设计[J].机械与电子,2011(03):50-52.[4]胡祝兵.基于单片机控制的直流电机调速系统的设计[J].承德石油高等专科学校学报,2008(01):27-29.[5]田治礼.直流电动机数字调速控制系统设计[J].实验室科学,2007(02):161-163.[6]杨宇.基于单片机的2种PWM控制算法探析[J].有色金属设计,2021,48(03):71-73.[7]陈永昕,陈洪宝.基于单片机的可编程逻辑控制终端设计研究[J].南方农机,2021,52(13):16-19.[8]尚敏娟.关于电气传动控制系统中单片机技术的应用分析[J].电子测试,2021(05):131-132.[9].基于STC89C52单片机PWM调速控制系统的硬件设计[C].全国冶金自动化信息网2012年年会论文集,2012:667-668.[10]肖燕.基于单片机89C51的起重机调速系统[J].信息与电脑(理论版),2010(22):129.附录1.显示模块程序voidwrite_com(ucharcom)//向1602写一字节（控制指令）{rs=0;P0=com;delay(5);en=0;delay(10);en=1;}voidwrite_data(uchardate)//向1602写一字节（数据）{rs=1;P0=date;delay(5);en=0;delay(5);en=1;}write_com(0x80);write_data('V');write_data(':');write_com(0x87); //第一行显示转速write_data('r');write_data('p');write_data('m');write_com(0xc0);write_data('z');write_data('h');write_data('a');write_data('n');write_data('k');write_data('o');write_data('n');write_data('g');write_data('b');write_data('i'); //第二行显示zhankongbi:write_data(':');displaym();2.键盘扫描控制模块程序voidkeyscan()//键盘扫描函数{if(num1==0){delay(5);//消除抖动 if(num1==0) { if(m<=199) m++; displaym(); //设定占空比加一}}if(num2==0){delay(5); if(num2==0) { if(m>=1) m--; displaym(); //设定占空比减一 }}if(num3==0){delay(5); if(num3==0) {zheng=1; //