毕业论文-基于L298直流电机调速控制设计.doc

基于L298直流电机调速控制设计学校代码：11517学号：201010310339HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计（论文）基于L298直流电机调速控制设计Based on the L298 dc motor speed control design姓 名 专业名称 机械设计制造及其自动化学 号 院 （系）机械工程学院 指导教师 基于L298直流电机调速控制设计摘 要 电机在各行各业发挥着重要的作用，而电机转速是电机其中一个重要的性能指标 ，因而检测电机的转速和电机的调速，使它满足人类的各种需要，更显得格外重要，而且随着科技的发展，PWM调速成为直流电机调速的新方案。随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各钟领域中得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统没有的优势，例如抗干扰性强，便于与电脑连接，系统容易维护升级。本设计是以单片机AT89S52单片机和L298芯片控制的直流电动机脉宽调制系统。利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统设计、能够使系统结构简化、成本降低、系统性能增强、满足许多应用场合的应用。系统实现对电机的正、反转、 停止、加、减速的控制，以及PWM的占空比在LED显示器上的显示。现在电气传动的主要方向之一就有电机调速系统采用微控制处理器实现数字化的控制。从 20世纪 90年代后期起, 世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速转动装置, 经过 30几年的发展, 当前直流电机调速已发展成一个很高的技术水平: 功率元件采用了可控硅、 表面安装技术应用于控制板、控制方式采用了电源换相、相位控制。特别是采用了微控制处理器以及它的先进电力电子技术, 使得数字式直流调速装置在精度准确性、控制性能的优良性以及抗干扰的性能上有很大的提高与发展, 在国内外得到了广泛的应用。长期以来，由于直流电动机具有很好的线性调速性能 ，简单的控制功能 ，较高的效率 ，优良的动态特性 ，广泛应用于调速控制系统中。特别是到计算机进入控制领域和高开关频率 、全控型第二代电力半导体器件(GTR 、GTO 、M O SFET 、IG BT 等)的发展 ，脉宽调制(PW M )的直流调速系统在调速控制中得到越来越普遍的应用。关键词：直流电机；AT89S52；L298；PWM调速Based On The L298 Dc Motor Speed Control DesignAbstractMotor plays an important role in all walks of life, and the motor rotation speed is one of the important performance indexes, and detect the speed of the motor and motor speed regulation, make it meet the various need of human beings, seemed all the more important, and with the development of science and technology, become the new scheme for dc motor speed control PWM speed adjustment.With the rapid development of digital technology, micro controller in the field of social each clock has been widely used, due to the digital system have the advantage of simulation system has no such as strong anti-interference, easy to connect with computer, easy to maintenance upgrade system.This design is based on single chip AT89S52 single chip microcomputer and L298 chip control dc motor PWM system. Use AT89S52 chip for low cost dc motor control system design, can make the system to simplify structure, lower cost and enhancing the performance of the system, to satisfy the application of many applications. System implementation of motor positive and reverse, stop, plus, deceleration control, as well as the PWM duty cycle in LED display on the display.Now one of the main direction of electrical drive have motor speed control system is controlled by micro processor to realize the digital control. Since the late 1990 s, the worlds major electrical companies are racing to develop digital speed rotating device, after 30 years of development, the current of dc motor speed control has developed into a high technical level: power device adopts thyristor, surface mount technology applied in the control panel, control mode adopted power phase, phase control. Especially adopts the advanced micro control processor and its power electronic technology, the digital dc speed regulating device in precision accuracy, control performance is better, and the anti-jamming performance has the very big improvement and development, has been widely used at home and abroad. For a long time, because the dc motor has good linear speed regulating performance, simple control, high efficiency, excellent dynamic characteristics, widely used in the control of motor speed control system. Especially in the field of computers in control and high switch frequency, full control of the second generation power semiconductor devices (GTR, decision, M O SFET, IG BT, etc.), the development of pulse width modulation (PW M) dc speed control system get more and more widespread application in the control of motor speed control.KEY WORDS: dc motor;AT89S52 devices; L298， PWM speed regulation目 录1 绪论 1 1.1 直流电机 1 1.1.1 直流电机的发展 1 1.1.2 直流电机控制方法 1 1.1.3 直流电机工作原理 2 1.1.4 直流电机主要的技术参数 2 1.2 单片机以及微控制处理器控制系统的发展 22 系统论述 3 2.1 设计背景 4 2.2 设计思路 4 2.3 系统框架设计 4 3 PWM 脉宽调制原理 5 3.1 PWM调速原理 5 3.2 PWM调速方法 6 3.3 PWM实现方式 6 3.4 PWM控制流程图 .6 4 系统硬件设计 7 4.1 系统基本组成 7 4.1.1 硬件模块组成 7 4.1.2 单片机整个控制模块 7 4.2 AT89S52的简介 8 4.2.1 AT89S52的主要性能 8 4.2.2 AT89S52主要的功能列举 9 4.2.3 AT89S52各引脚的功能介绍 9 4.2.4 AT89S52的内部资源 12 4.3 L298 电机驱动模块 13 4.3.1 L298电机驱动简介 13 4.3.2 L298内部的原理图 13 4.3.3 L298内部H桥驱动电路 13 4.3.4 L298引脚符号及功能 15 4.3.5 L298的逻辑功能 15 4.3.6 本系统中单片机与L298的连接 16 4.4 LED数码管显示 16 4.4.1 LED简介 16 4.4.2 LED七段数码管的结构 17 4.4.3 常见数字和字符的字段码 18 4.4.4 LED显示简单的程序流程 19 4.4.5 本系统中单片机与LED的连接 19 4.5 独立键盘控制模块 20 4.5.1 键盘的功能及分类 20 4.5.2 独立式键盘 20 4.5.3 本系统中独立式键盘与单片机的链接 21 5 系统软件设计 21 5.1 主程序流程图 21 5.2 定时器中断程序流程图 22 5.3 LED数码管显示PWM占空比流程图 23 5.4 独立式键盘控制流程图 24 结论 25 致谢 26 参考文献 26 1 绪论1.1 直流电机 1.1.1 直流电机的发展 直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空、国防等各种领域中已经得到了普遍的应用。而以前直流电动机的控制只是简单的控制，不容易进行调节转速，不能实现智能化。如今，直流电动机的变速控制已经都是单片机的控制，单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会进入了自动化的新时代，单片机应用技术和其他学科领域的交叉融合，促进了学科发展和专业发展，引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的快速发展，改变了世界，也改变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强大、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等优点，计算机性能的不断提升，单片机的应用也更加广泛使用特别是在各种领域中的控制、自动化等方面。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要装置，一是要具有很高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的需求进行调整转速。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能起着直接的决定性作用。因此，调速技术一直是研究的热点。1.1.2 直流电机的控制方法直流电机由于具有速度控制方便，启动制动性很好，而且能在很大范围内平滑的调速等优点，而在电力、冶金、机械制造、国防等工业部门中得到广泛应用。直流电机转动速度的控制方法可分为两种：励磁控制阀与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽小但低速转动时受到磁场饱和的控制，高速时候受到换向火花与转向器结构强度的控制，而且由于励磁线圈电感大动态响应慢。因此常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻大小来实现的，但这种调压方法效率低。伴随着电工电子技术的发展，创造出了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制是常用的一种调速方法。其基本原理就是是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制电机的转动速度，在脉宽调速系统中当电机接通时，其速度增加，电机断开时，其速度降低。只要按照一定的规律改变通断开的时间，就可使电机的速度保持在一个稳定值上。直流电机可以根据其结构、工作原理等进行分类，根据直流电机的用途可分为直流电动机（电能转化为机械能）、直流测速发电机（机械信号转化为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转化为机械信号）等几种。 1.1.3 直流电机工作原理直流电机电路构造如图1-1所示，磁极S、N间装有一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，因此产生了转动。由左手定则可知，当流过线圈中的电流改变方向时，线圈的方向也将随之发生改变，因此通过改变线圈电路的方向可以实现改变电机转动的方向。直流电机模型结构见图1-1。 图1-1 直流电机电路模型结构 1.1.4 直流电机主要的技术参数直流电机的额定值有：额定电流Ie：正常运行的最大电流。励磁电流If：施加在电机线圈上的电流。额定功率Pn：在额定电流和额定电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：正常运行的最大电压。1.2 单片机以及微控制处理器控制系统的发展单片机和微型计算机的诞生是一个新的里程碑在计算机发展史上。近年来，伴随着科学技术的发展和提高，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的使用更加宽广，特别是在智能机器人中的使用。直流电动机的启动和调速性能、过载能力强等特点显得格外重要，为了能够适应社会发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了较大的发展和运用。而作为单片嵌入式系统的中心单片机，正朝着多功能、多向选择、高速度、低功率、价格低廉、存储容量多和强I/O功能等方向发展。随着计算机运行的不断提高，功能的不断改进 ，单片机已越来越广泛地用在各种领域的控制、自动化、智能等方面，特别是在直流电动机的变速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能强大，抗干扰能力好，可靠性高，结构安排合理，指令丰富，控制功能强，造价低廉等。因此选择单片机作为控制系统的核心以提升整个系统的可靠性和可行性。很早之前直流传动的控制系统由模拟分离器件组成，因为模拟器件有其它本身自有的缺陷，如存在温漂、零漂电压，组成系统的器件很多，导致模拟直流传动系统的控制精度及可靠性很差。随着计算机控制技术的飞速发展，直流传动系统普遍采用了微处理器，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。因此使得全数字直流调速控制精度、稳定性和可靠性比模拟直流调速系统有了很大提升。所以，微处理器实现全数字化应用于直流调速系统，使直流调速系统迈进一个崭新的年代。微处理器于20世纪七十年代出现，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的飞速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，因为电工电子技术的发展，制作工艺的提升，也使得大功率电子器件的性能迅速提高。为控制电机普遍使用了微处理器提供了可能，利用微处理器控制电机达成了各种新颖的、高性能的控制方法，使电机的许多潜在性能得到了充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等控制方便而且实用的新型电机，使电机的发展出现了创新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用微处理器控制继电器、电子开关元器件，对电路进行开通或断开操作就可实现对电机的控制。现在微处理器的可编程控制器，已经普遍存在各种的机床设备和生产流水线中，通过对可编程控制器进行编程就可以达到对电机的规律化控制。但是针对复杂的微处理器控制电机,而是通过微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等变量，使电机按照指定的指令准确的进行运作。由于有了微处理器的控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等缺点；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，都比直流电机构造简单，工作也比直流电机稳定可靠，但是它们处于频率恒定的电网上运行时，它们的速度实现不了方便而经济地调节2。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了这些高速微处理器，它们的执行速度可达数百万兆以上每秒，并且具有很好的矩阵运算。2 系统论述2.1 设计背景近几年来，伴随着科技技术的发展，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越普遍的应用。直流电机它具有调速特性良好,调速平滑、方便快捷,调速范围宽广;过载能力强,能够频繁承受冲击负载,可以实现频繁的无级快速起动、制动和正反转;使用时能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了很高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已经远远不能满足我们的要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法随即而产生。2.2 设计思路直流电机PWM控制系统的功能主要有以下几种，包括实现对直流电机的加、减速以及电机的正转、反转和停止转动，并且可以调整电机的转速，能够简便快捷的实现直流电机的智能化控制。主体电路是直流电机PWM的控制模块。这部分电路主要由AT89S52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、减速以及电机的正反转，并且可以调整电机的转动速度，能够很方便快捷的实现电机的智能化控制。它是通过AT89S52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进行转动运行的。其直流电机PWM控制系统由以下几种电路模块沟成：设计控制部分，主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、直流电机和L298直流电机驱动模块构成。设计显示部分，主要是LED数码显示部分，它实现对PWM脉宽调制占空比的实时进行显示。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达到对直流电机的加 、减速以及电机的正、反转和急停进行控制。2.3 系统框架设计方案简介：直流电机PWM调速系统主要以AT89S52单片机为控制的核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。利用带中断的独立式键盘输入命令，AT89S52单片机在程序的控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路实现直流电机正，反转和急停控制；同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比传送到LED数码管完成实时的显示。见图2-1。图2-1 系统框架设计因为PWM调速系统的开关次数很多，所以仅靠电枢电感的滤波作用就可以得到稳定的直流电流，速度低性能好；同样，因为开关次数高，响应迅速性能好，动态抗干扰能力强，就可以得到很宽广的频带；开关器件只工作在开关的状态，主电路功率损耗低，装置效率高。PWM 抗噪性很强，而且有节约空间、比较经济实惠等优点。另外，利用传统的直流电机调速系统的模拟电路容易随着时间进行飘移，因而会产生一些不必要的热能损耗，以及对噪声敏感等缺点。而在直流电机调速系统利用了PWM技术后，避免了上述的缺点，实现了对数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低支出成本和功率损耗。3 PWM脉宽调制原理3.1 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是利用控制固定电压的直流电源开关次数，来实现改变负载两端的电压大小，从而实现控制要求的一种电压调整方案。PWM可以应用于许多的方面，譬如：电机调速、温度控制、压力控制等等7。在PWM驱动控制的调整系统中，按照一个不变的频率来接通和断开电源，并且根据需要来改变一个周期内“运行”和“停止”时间的大小。通过变化直流电机电枢上电压的“占空比”来实现改变平均电压大小的目的，从而可以控制直流电动机的转速。也正因为这样，PWM也被称为“开关驱动装置”，见图3-1所示。 图3-1 PWM信号的占空比设电机一直接通电源时，电机转速最大值为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在接通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。通过上面的公式可以知道，当我们把占空比D=t1/T改变时，就可以得到各种电机平均速度Va,从而实现了我们需要的调速目的。严格来讲，平均速度Vd和占空比D并不是严格的线性关系，但是在通常的应用中，我们可以把它近似的当成是线性关系。直流电机的速度调节既可利用电枢控制法, 也可以通过磁场控制法。磁场控制法控制磁通, 它的控制功率虽然较小, 但低速运行时受到磁极饱和的控制, 高速时受到换向火花和换向器结构强度的控制,而且因为励磁线圈电感较小, 动态响应较慢, 一次在工业生产过程中通常使用的是电枢控制法。电枢控制是在励磁电压不变的情况下, 把控制电压信号放在电机的电枢上来影响电机的转速。过去改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻, 通过调节电阻大小改变电枢两端电压,从而达到调速的目的, 所以说这种方法效率低、平滑度差, 而且由于串联电阻上要消耗电功率,也引发出经济效益低, 而且转速越慢, 能量损耗越大等缺点。随着电力电子的快速进步和发展, 出现了大量新的电枢电压控制方法。如: 通过交流电源提供电源, 利用晶闸管整流器来相控调压; 脉宽调制 ( PWM )调压等方法。调压调速法因为平滑度高、能耗低、精度准确等优点, 在工业生产中得到了广泛使用, 尤其PWM 应用更为广泛。脉宽调速利用一个稳定的频率来调节电源的接通或断开, 并通过改变一个周期内“ 接通” 和“断开”时间的大小, 即通过变化直流电机电枢上电压的“占空比 ”来改变平均电流的大小, 从而改变电动机的转动快慢, 所以 PWM又被叫成“开关驱动装置”。根据图 1, 如果电机始终接通电源时, 电机转动最快时的速度为 Vm ax,占空比为D = t1*T,则电机的平均转动速度为: VD= Vmax/ D,显而改变占空比 D大小,就可以得到各种需要的电机速度, 从而实现改变速度的结果, 非常严格地说, 平均速度与占空比 D 它们之间并不是严格的线性关系, 在一般的生产生活应用中, 我们可以把其近似当成是线性关系。3.2 PWM调速方法由于单片机类通过软件来达到我们需要的PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个决定性的参数，在电源电压保持稳定的状态下，电枢端电压的平均大小受到占空比D的大小的影响，改变D的大小可以使电枢端电压的平均值发生变化从而达到改变速度的目的。改变占空比D的值有三种方法：定宽调频法：首先不变，只改变t，从而使周期(或频率)也随之发生变化。定频调宽法：首先周期T(或频率)不变，通过改变 t1和t值大小。调宽调频法：首先t稳定，仅改变，从而使周期(或频率)也随之发生改变。前两种方法在改变速度时使控制脉冲的周期(或频率)发生了变化，当控制脉冲的频率与系统的固有频率值一样时，将会产生振荡，所以一般通过定频调宽法来改变占空比来实现改变直流电动机电枢电压大小。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方法来达到脉宽的自由调整，这种方法可以简便硬件电路，操作容易等优点。3.3 PWM实现方式：通过软件延时方法，这种方法在精度上没有第二种精确，尤其是在采用了中断后，将有产生很大的误差。故采用方案二。：通过定时器当作脉宽控制的时间控制方式，这种方法产生的脉冲宽度非常精确，误差只有几个us。 3.4 PWM控制流程图在本设计中PWM脉冲调制控制流程图如下图3-2图3-2 PWM控制流程图 4 系统硬件设计4.1 系统基本组成4.1.1 硬件模块组成（1）单片机控制模块（2）LED显示模块（3）L298电机驱动模块（4）独立键盘控制模块 4.1.2 单片机整个控制模块 直流电机调节速度系统的控制板块见图4-1图4-1单片机整个控制模块上图通过定时计数器让单片机P2口的P3.4引脚产生各种不同占空比的方波，而后通过驱动芯片L298放大后调节直流电机转动。驱动芯片的输入电压是两引脚的电势差，在调节快慢时一根引脚线产生调速方波，另一个引脚接低电平，这样两个引脚的电压之间的差值就可以通过改变其中一个引脚来控制。当我们需要让电机转动方向发生改变时，两个引脚的输出一样。定时计数器若干时间（1us）停止一次，就会让P3.5产生一个低电平或者高电平。直流电机的速度有10个等级构成，所以一个周期就有10个脉冲组成，周期为一百个脉冲的时长构成，速度等级与一个周期的高电平脉冲的个数相关联。占空比为高电平脉冲个数在周期中总脉冲数量中所对应百分比。一个周期内通过电机两端的电压为脉冲高电压和占空比的乘积。占空比越大，相应电机两端的电压越大，电机转速越大。电机的平均速度就是在稳定的占空比下电机的转速的最大值乘以占空比。当我们改变占空比的大小时，就可以得到不同的电机平均速度，从而实现我们改变速度的目的。精确的讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系，在我们通常使用和利用的时候，可以认为他们就是线性关系。4.2 AT89S52的简介4.2.1 AT89S52主要性能AT89S52是一种功率损耗大，性能不好的CMOS8位微控制器，拥有8K 在系统可编程Flash 存储装置。使用Atmel 公司高密度不容易失去记忆的存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚可以共同使用。片上Flash使用程序存储器在系统可以通过编程得到，也可以用在常规编程器。在单芯片上，具有小巧简便的4 位CPU 和在系统使用到的可以使用的Flash，使得AT89S52为较少嵌入式约束应用系统提供灵活性强、方法有效的解决方法。与MCS-51单片机产品完全可以混合使用；8K字节在系统可编程Flash存储器；10000次擦写周期；所有的都是静止操作：1Hz33Hz；三级加密程序存储器；48个可编程I/O口线；三个32位定时器/计数器；十六个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和断电状态；关闭电源后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。4.2.2 AT89S52主要功能列举1、拥有灵巧的4位CPU和在系统可编程Flash2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）3、内部程序存储器（ROM）为16KB4、内部数据存储器（RAM）为256字节5、32 个可编程I/O 口线6、8 个中断向量源7、三个 32 位定时器/计数器8、三级加密程序存储器9、全双工UART串行通道4.2.3 AT89S52各引脚功能介绍AT89S52单片机各个引脚见图4-2图4-2 AT89S52单片机各引脚VCC：AT89S52输入电源正极10V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，通常在设计时只要在 XTAL2 和 XTAL1 上装上一只石英振荡晶体系统就可以完成我们的需要了，此外可以在两引脚与地之间加入一 个30PF 的小电容，可以让系统更稳定运行，避免噪声干扰而引起机器停止运行。RESET：AT89S52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重新改动时，只要对此引脚电平提升到高电平并在两个机器周期以上的时间保持不变，AT89S51就能够完成系统要求