基于pwm直流电动机控制系统的设计

1、PWM Dc Motor Control System Design,导 师： 姓 名： 学 号： 专 业：计算机科学与技术,基于PWM直流电动机控制系统的设计,内容提纲,课 题 简 介,2,关 键 技 术,3,系 统 设 计,4,总 结 与 展 望,1,1,单片机技术,2,PWM技术,1,1,2,3,硬件设计,软件设计,系统仿真,课 题 简 介,1,选题的背景和意义 背 景 意 义,2,现有电动机控制系统及技术的应用及分析,3,关键技术 单片机 PWM,课题简介,选题的背景和意义 随着电力电子技术的发展，直流电机调速已有逐步被交流电机调速取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流电机仍有一

2、定优势。 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要波形（含形状和幅值）。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，这是因为输入和所需输出都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行调制。,课题简介,现有电动机控制系统及技术的应用及分析 直流电机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因其结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约它的发展，应用不如交流电机广泛。 但由于直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击

3、负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式。,关键技术,单片机技术 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。 单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。 单片机内部结构,关键技术,PWM PWM(Pulse Width Modulation)控制技术就是

4、对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM调速原理及输出波形如下图所示 ：,关键技术,PWM调速系统原理及波形输出图,系统设计,硬件设计,软件设计,系统仿真,One,Two,Three,硬件设计,系统硬件原理图,硬件设计,电机驱动方案,电源设计,复位电路设计,晶振电路设计,按键电路,LED显示电路,测速电路设计,硬件设计,电机驱动方案 对于直流电机的驱动，为了更好的获得驱动效果采用L298输出并联驱动。也为了使直流电机的工作状态不影响主电路的工作状态在直流电机的两端并联RC电路隔离电机。 L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2

5、和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。 下图是L298与直流电机的连接图和逻辑状态表，IN1和IN2分别接单片机输出逻辑电平控制直流电机的运行状态，ENA接单片机PWM波输出端口。,硬件设计,L298驱动直流电机图与逻辑功能表,硬件设计,电源设计 对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。 考虑到在整个系统中电源的需求并不唯一即单片机需要+5V电源供电，电机驱动芯片L298需要+12V电源供电所以

6、电源方案选用将市电220V转变为5V和12V直流稳压电源来实现。 采用双路输出的直流稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多成熟是集成元件可选择，电路的实现十分方便。,系统供电电路图,硬件设计,复位电路设计 单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周

7、期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。,按键高电平复位电路图,硬件设计,晶振电路设计 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 AT89C52使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可。,外部晶振电路图,硬件设计,按键电路的选择与设计 键

8、盘输入、显示输出是人机对话的重要手段，是很关键的人机联系设备。数据输出显示采用数码显示器较为实用可靠价廉；键盘实际上是一种按压式开关，通常，所用开关为机械弹性开关。 按键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平。如果高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合，所以通过检测电平的高低状态，便可确认按键是否按下。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。 由于硬件设计比较复杂而且需要较多的按键器件，从经济的角度和方便程度来讲应用软件去抖动较为合适，所以设计选择软件去抖动方案。,去抖动按键电路图,硬件设计,LED显示电路设计 由半导体发光二极管组成的数码显示器（简称LED）

9、是最常用的输出显示设备。它以廉价可靠耐用对电流电压要求低等优点在计算机应用系统中获得广泛应用。LED在脉冲工作状态下亮度较强，一般每秒可导通100500次。每段发光二极管须串接限流电阻，改变阻值可调整亮度。 LED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。,7段数码管动态显示电路图,硬件设计,测速电路设计 对转速的检测有很多传感器可以应用

10、，如光学编码器，霍尔元件和霍尔接近开关等。考虑到成本和易用性等问题，本设计选用的是霍尔元件CS3020作为测速的传感器。在电机的转叶上贴上两片小磁钢，那么电机每转一圈，霍尔传感器输出两个脉冲 。 CS3020霍尔传感器内部有5个部分组成，即由稳压电路、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。其功能是把磁信号转换成电信号。,霍尔元件测速原理图,霍尔元件功能图,软件设计,键盘扫描子程序,PWM波发生子程序,测速子程序,显示子程序,系统软件设计,软件设计,键盘扫描子程序 独立式键盘由四个按键组成，分别控制电机的启动、制动，正转、反转，加速和减速其程序流程图如图： 组成键盘的按键有触点

11、式和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触点构成的。在图中，当开关S未被按下时，P1.X输入为高电平，S闭合后，P1.X输入为低电平。由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动动所以在键盘的应用中，一定要解决抖动问题。软件法其实很简单，就是在单片机获得P3.X口为低的信息后，不是立即认定S1已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后再次检测P1.X口，如果仍为低，说明S的确按下了，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。,软件设计,PWM波发生子程序 用延时的方法实现PWM波形输出的流程图如图所示。在本设计中，应用单片机每50个机器周期为PWM波形的基本周期（AT89C52采用12

12、MHz的晶体，即PWM波形的周期为50uS，其频率为20KHz），采用定频调宽的方法。定时器T0确定PWM波的频率，T1确定高电平的时，这样改变T1的初值就可以改变占空比。,PWM波子程序,软件设计,测速子程序 在测速功能的程序流程图中可以看到，利用单片机进行速度的转速测量比较简单。转速的检测，实际上是应用了两个中断服务子程序，T0中断和INT0中断。如图所示，INT0中断执行的功能十分简单，就是外部每输入一个脉冲，R0寄存器就加1。T0中断的作用就是给定一个时间间隔T，在T内应用INT0中断对外部脉冲进行计数，时间到就送出R0的数值，并对其清零。由于测速电路设计应用了两块小磁钢，所以电机每转

13、一圈，就会产生两个脉冲，因此我们只需要定时0.5S就可以得到电机1S的转速了。程序中的测速子程序，就是对转速数据进行BCD码的转换并且显示。,测速子程序,软件设计,显示子程序 在LED的硬件图中可以看到，单片机的P2口作为显示部分的数据输出口与控制输出口。其中P2口的低四位作为BCD码的输出口，在LED的硬件图中可以看到，单片机的P2口作为显示部分的数据输出口与控制输出口。其中P2口的低四位作为BCD码的输出口，P2口的高四位分别控制四位LED（LED1、LED2、LED3和LED4）。 其中，软件不可能显示到转速的千位数，因为我们只以一个寄存器储存转速数据，所以本软件最大的检测转速值是255

14、转每秒。LED的千位是正反转的标志位，当电机正转的时候不显示（BCD码为1111），当电机反转的时候显示为“三”型（BCD码为1101）。,显示子程序,系统仿真,Proteus软件不仅具有EDA软件的仿真功能还能仿真单片机及其外围器件。是单片机系统仿真的首选软件。这里选用其作为我设计的仿真。以下为系统的各个功能模块仿真图：,按键仿真电路图,系统仿真,按键引起端口电平变化图,系统仿真,PWM波形仿真,系统仿真,数码显示十位,数码显示个位,系统仿真,直流电机驱动仿真,电源仿真图,总结与展望,总结 本设计中的PWM变频调速系统主要是由集成芯片组成。所用的芯片主要有：单片机AT89C52、施密特反向器74LS14，与门74HC08，NO