直流电机PWM调速与控制设计报告

1、综合设计报告单位：自动化大学学生姓名：专业：测控技术和设备类别：0820801学号：指导教师：成绩：设计时间：2011年12月重庆邮电大学自动化学院系统一、标题直流电动机调速控制系统设计二、技术要求直流电动机调速控制系统设计，要求如下：1、学习直流电动机调速控制的基本原理。2、了解直流电动机速度脉冲检测原理；使用3、51单片机和合适的电动机驱动芯片设计控制器和速度检测电路4、使用c语言编写控制程序，可以通过实时串行端口完成与父计算机的通信。5、选择适当的控制平台，绘制系统的配置图，并提供完整的设计流程图。6、电机必须能实现正负控制；7、系统具有实时显示电机速度功能；8、电机设置速度由电气继电器

2、输入；9、电机的调速误差必须在容差范围内。三、指定的条件1，直流电机驱动原理，单片机原理及接口技术等参考资料2、电阻、容量等各种分离元件、ic、直流电动机、电源等3、stc12c5a60s2单芯片、lm298和pc机器四、设计1.决定整个程序。2.绘制系统贴图。3.选择电动机控制芯片和单芯片及速度检测电路，设计硬件电路。4.设计串行和通信程序，完成与父计算机的通信。绘制程序流程图，编写调试代码，写报告。直流电动机调速控制摘要：在当今社会，电动机是最重要的机械能转换装置，广泛应用于国民经济的各个领域和人们的日常生活。工农业生产、运输、国防、航空航天、医疗卫生、商业和办公用品、日常生活中的家电和消

3、费电子产品(如冰箱、空调、dvd等)中大量使用了各种电动机。数据显示，所有动力资源中90%以上来自马达。同样，我国生产的60%的电能用于马达。马达与人的生活有密切的关系，不能分离。在电气时代，电机的速度调节一般用模拟法、pid控制等进行电机的简单控制。简单控制是指电动机启动、制动、正向反转控制和顺序控制。这些控制可以通过继电器、光电耦合器、可编程控制器和开关组件实现。另一种类型的控制称为复杂控制，是指控制马达的旋转速度、转角、扭矩、电压、电流、功率等物理量。该电动机控制系统旨在通过lm298直流电动机驱动器、pwm脉宽调制控制电动机、通过光电耦合器进行速度测量、单磁盘i/o端口定时采样和闭环反

4、馈控制系统对电动机速度进行精确控制。其中，电动机的设置速度通过a/d输入，系统的形状标记和控制在父计算机上实现。通过设计和调试，该控制系统可以控制电动机旋转速度的小误差，系统具有上部显示旋转速度和控制电动机开、停和正向翻转等功能。具有一定的实际使用意义。关键字：直流电动机，反馈控制，51核，pwm脉宽调制，lm298一、系统原理和功能概述1、系统设计原理该电机控制系统采用基于51核的单片机，主要用于电机的速度测量和速度控制。硬件设计了可曹征电源模块、串行电路模块、电动机速度测量模块、速度脉冲信号调节电路模块、直流电动机驱动模块等电路。软件使用基于c语言的编程语言实现系统与父计算机之间的通信，实

5、时显示电动机的旋转速度，并控制电动机运行状态(例如开、停、正反转)。单片机选择51升级系列的stc12c5a60s2作为主控制器。此芯片完全兼容以前版本的所有51指令，同时满足2号pwm控制器、2个计时器、2个串行端口支持独立波特率发生器、3号可编程时钟输出、8号10位ad转换器、1个spi接口等非常方便的要求。pwm端口用于输出可调节一定频率和脉宽的pwm波，单个芯片中包含的a/d端口计时器用于串行通信和速度的定时采样、父计算机的定时显示等。系统的电机驱动装置选择lm298n大功率驱动芯片，使用tlp521光纤耦合器和整流二极管设计的驱动电路，实现电气隔离和控制，提高控制效率和精度，大大减少

6、划痕干扰。此外，还可以实现电机的前后安装和制动功能。系统速度测量模块基于槽型光电耦合器gk105设计，将电机速度转换为不同频率的脉冲信号，通过基于lm324的电压比较器和74hc573锁形成信号波形。最后，检测单片机的i/o端口脉冲以测量速度。1.1直流电动机基本工作原理图1.1直流电动机的基本连接1.2直流电动机调速原理直流电动机速度n的表达式为：(1-1):u-电枢末端电压；i-电枢电流；r-电枢电路的总电阻；-每个极点的磁通量；k-电机结构相关的常数，因此直流电机速度n的控制方法有三种，主要以调节速度为主要。这个控制器主要通过脉宽调节pwm来控制电机电枢电压，从而调节速度。调节脉宽的方法

7、有三种：固定频率调节、固定宽度调节和宽度调节频率调节。该系统采用恒频脉宽方法的pwm控制。因为马达以这种方式运转时比较稳定。此外，使用单片机生成pwm脉冲的软件实现也很方便。直流电动机旋转速度控制可以使用开环控制或闭环控制。与开环控制相比，调速闭环系统的机械特性具有以下优点：闭环系统的机械特性与开环系统的机械特性相比大大提高了性能。如果理想的空载转速相同，闭环系统的静态差值比(在额定负载下电动机转速降落与理想空载转速的比率)要小得多。如果所需的静态差分比率相同，闭环调速系统的速度调节范围可能会大大提高。直流电动机速度控制方案，如图1所示。设定旋转速度转速输出偏差调节器驱动电路直流电动机-速度测

8、量装置图1直流电动机速度闭环控制方案二、系统硬件设计1.系统范围的设计方块图该系统使用stc12c5a60s作为控制核心，使用父计算机显示器设置旋转速度，测量旋转速度，并控制马达。使用lm298驱动芯片作为系统的驱动电路，使用开槽光电耦合器gk105作为系统的测量电路。方块图如2所示。stc12c5a60s2微控制器时钟电路lm298驱动程序电路uart串行端口电路直流电动机父计算机显示和控制光电耦合器速度管速度模拟输入电路信号调理电路电源模块图2直流电动机控制系统总体框图模块电路和功能简介2.1单片机最小系统电路单片机主要擅长系统控制，不适合复杂的数据处理。在设计单片机的最低系统时，选择了s

9、tc12c5a60s2位dip-40封装单片机作为mcu。stc12c5a60s2芯片采用宏郑秀晶技术生产的单个时钟。/机器周期(1t)的单芯片微计算机，具有64k的用户程序存储空间和1280字节ram，与以前版本的所有51命令完全兼容，但速度快5-8倍，内置max801专用重置电路。该系统的单片机最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路、周边总线接口等组成。图3是单片机的最小系统结构框图。图3 51最小系统电路2.1.1系统时钟电路在单片机内部，有构成振荡器的高增益逆相放大器。通常，针脚xtall和xtal2跳线修正和两个补偿电容器组成了自己的振荡器。系统时钟电路结构可以选择6mhz、8mhz

10、或12mhz等频率的晶体，如图6所示。该系统使用12mhz石英晶体振动。补偿电容器通常选择大约20-30pf的陶瓷电容器。2.1.2复位电路微控制器小型系统有两种执行系统重置操作的方法：自动重置电源和手动重置密钥。电源重置必须在打开电源后自动执行重置操作。手动重置要求在电源连接条件下运行单片机的同时，使用按钮开关操作重置单片机。复位电路结构如图6所示。电自动复位是通过电容器充电实现的。重置手动键只需按键将电阻连接到vcc。2.2马达驱动模组直流电动机驱动器使用常用的h桥回路控制信号选择对管道和否，以实现电动机的正向反转，并通过更改添加电压的占空比来更改电动机速度。如图4所示，这里使用专用芯片l

11、298n驱动2路536v直流电动机或4位步进电动机。在l298n和主芯片之间通过4路光电耦合器tlp5214隔离消除干扰信号。配置stc12c5a60s2上的串行端口、pwm，以将串行端口侦听的数据直接分配给pwm计时器ccap1l、ccap1h。使用串行调试助手将控制信息发送到stc12c5a60s2，并支持外部6v电源更改l298n的in1和in2，以完成对l298n电动机驱动器模块的调试。图4 lm298n马达驱动电路2.3直流电动机速度测量电路2.3.1插槽型光电耦合器gk105测速电路图5插槽光电耦合器gk105电路图6电动机速度编码装置如图5和图6所示，光电带管使用槽形光电耦合器g

12、k105电路，由特殊发光二极管和光电三极管组成，当二极管发出的光接触光电三极管的基座b时，晶体管ce通过。正常情况下，二极管的光无法到达光电管的基座，所以可以在电机转轴上安装圆形编码器来测量小车的速度。如果码盘上有n个孔，光电三极管的输出脉冲频率为f，则速度为f/n。如图7所示，电动机每转一圈，槽形光耦合器就产生4个脉冲，因此，使用槽形光耦合器传感器信号，可以获得电动机的实际速度。为了最小化一次速度取样时间，马达的实际速度为：v=(n/4)* 60；v:速度r/minn:每秒采样的脉冲数图7电机旋转gk105光电耦合器信号2.3.2速度脉冲信号调理电路打开马达，旋转码盘，将光电带管靠近码盘，用

13、示波器观察输出脉冲信号的好坏。信号调节电路主要使用lm324运算放大器设计的比较器，如图8所示。调整比较器偏移电压，使脉冲最接近方波，宽度大于3.3v。为了提高速度测量的准确度，将比较器调理信号添加到信号后级作为标准方波，调整比较器操作的偏置电压，使方波信号最适合速度测量。图8基于lm324的信号调理电路2.4串行电路设计max232芯片是american corporation专门为计算机的rs-232标准串行端口设计的接口电路，使用5v单电源。内部结构基本上可以分为三个部分。第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6英尺和4个电容组成。功能是创建rs-232串行端口级别所需的12v和-

14、12v电源。第二部分是由两个数据通道(7、8、9、10、11、12、13和14英尺)组成的数据转换通道。其中13英尺(r1in)、12英尺(r1out)、11英尺(t1in)和14英尺(t1out)是第一个数据通道。8英尺(r2in)、9英尺(r2out)、10英尺(t2in)和7英尺(t2out)是第二个数据通道。ttl/cmos数据从t1in，t2in输入传输到rs-232数据，从t1out传输到计算机db9插头，从t2out传输到计算机db9插头。db9插头上的rs-232数据在r1in、r2in输入上转换为ttl/cmos数据，然后在r1out、r2out上输出。第三部分是电源，15英

15、尺gnd，16英尺vcc(5v)。电路如图9所示。图9串行电路图2.5系统电源设计选择lm317作为电源芯片，因为此系统需要5v和6-7v的电源输入。lm317是一种易于使用、范围广泛的集成调节器块，其输出电压可变。使用如图10所示的电路。图11是电源滤波器电路。图10 3.3v调节器电路图11滤波电路稳压电源的输出电压可以按如下方式计算：vo=1.25(1 r2/r1)。在此系统中，r1采用240n，r2采用5k的可曹征电位器。可以调整r2的电阻大小以更改输出电压的大小，从而获得vo=1.25v-37v范围内的可曹征电压。为了稳定使用中的电路，一般应将二极管连接到保护电路，防止电路的电容器放

16、电时高压燃烧317。2.6电动机设置速度输入电路该系统使用简单的电位器将5v电源信号通过单芯片a/d端口输入到cpu处理中，从而允许手动调整电机速度，如图12所示。图12电位器速度设置电路三、系统软件设计该程序主要分为6个大块、主程序、a/d转换处理程序、pwm输出程序、串行显示和电动机状态控制程序、计时器0的中断服务程序和串行中断服务程序。主程序主要执行系统初始化、计时器0初始化、主循环等。将stc12c5a60s2计时器0配置为计时器方法2，50毫秒计数器中断，累计20次计时器0中断为1秒。在这种情况下，tl1是光电到管输入的脉冲频率，在此1秒内触发ad，将电源电压voltage收集一次，发送到内存，并通过运算转换为设定的速度值。pc终端显示也没有每隔1秒刷新一次。将stc12c5a60