电力拖动课程设计--开环控制的PWM直流调速系统设计与实现.docx

拖动系统课程设计
报告书

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任务书
课题名称：开环控制的PWM直流调速系统设计与实现

课程设计任务：

1、查找文献，掌握直流电动机PWM调速的基本工作原理；
2、设计直流电动机开环调速系统，建立系统模型并进行仿真试验；
3、设计并调试基于51单片机的H桥驱动控制电路；
4、设计速度调节器算法，对开环系统进行负载试验；

课程设计要求：

1、能独立设置电机速度（按键设置或滑动变阻器设置或上位机设置）；
2、能显示当前电机的实际速度（单位为：r/min）;
3、能控制电机启动、停止、正反转、软启动和软制动；

课程设计内容：

1、设计直流电动机开闭环调速系统总体方案；
2、建立系统数学模型，并设计电流调节器和转速调节器算法；
3、直流电机的控制电路、驱动电路、保护电路及其检测电路设计
4、 基于单片机的开环调速系统软件程序设计；

任务下达日期：

2015年6月3日

设计日期：

2015年6月9日

摘要
本次设计先通过上网查找资料，了解直流电机PWM开环调速系统的原理及其特性。再通过PROTUES电路仿真PWM波形控制输出并设计该开环直流电机调速系统硬件电路。此次设计的系统可通过按钮实现正反转调节，实现电机的7档调速，并且在LCD屏幕中实时显示出电机的状态，包括正反转，档位以及电机转速。该系统有如下优点：需用的大功率可控器件少，线路简单；调速范围宽：电流波形系数好，附加损耗小；功率因数高。

关键词：开环 直流电机 PWM 51单片机

目录
1 系统概述 6
2 硬件电路设计 7
2.1 主控制模块 7
2.1.1 单片机管脚介绍： 7
2.1.2 晶振电路与复位电路 8
2.2.3矩阵键盘 9
2.2脉冲整形触发电路设计 10
2.3 LCD1602 10
2.4电机参数 11
2.5 电机驱动模块 11
2.5.1 模块描述 11
2.5.2 模块接口说明 11
2.5.3模块使用说明 12
3 软件设计 12
3.1 操作说明 12
3.2 c程序设计 13
3.2.1 LCD1602 13
3.2.2 矩阵键盘读取 13
3.2.3 占空比计算 14
3.2.4 PWM信号产生 14
3.2.5 转速计算 14
3.2.6 换向 14
4 系统调试 14
4.1 PWM信号调试 14
4.2 电机转速测试 14
5 结束语 15
6 参考文献 15
7 附录 15
7.1 设计图纸 15
7.2 元器件清单 15
7.3 程序 15

1 系统概述
该直流电机调速系统是以STC89C52单片机为核心，配以相应硬件电路，完成电机启动停止控制、正反装控制以及1-7档电机转速选择等功能。实际运用时，用户可以根据自己需求来设置电机档位或电机的正反转，起停。
PWM直流电机调速系统主要由矩阵键盘、单片机、脉冲整形触发电路、电机驱动模块等部分组成。其中矩阵键盘用于控制电机各种功能的实现。电机上装有41线码盘，电机转一周形成41个脉冲，通过脉冲整形触发电路接入52单片机的I/O口进行计数并用于计算电机转速。电机PWM控制信号由52单片机定时器定时触发，通过I/O口输入至电机驱动模块来进行控制电机转速。
脉冲整形触发电路
矩阵键盘
复位电路
晶振电路
电源输入
STC89C52

LCD1602

电机驱动模块

图一：系统功能方块图

如图1所示电源输入电路为STC89C52提供5Vvcc电源。晶振电路的主要作用是提供基准频率，在电路产生震荡电流,发出时钟信号。复位电路是使单片机的CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。键盘接口电路实现PWM直流电机调速系统的各种功能。脉冲整形触发电路将电机41线码盘产生的脉冲输入至单片机进行电机转速计算。电机驱动模块接收单片机PWM控制信号来驱动电机。LCD1602液晶屏用来显示电机的正反转状态、起停状态、档位及实时的转速。

2 硬件电路设计
2.1 主控制模块
2.1.1 单片机管脚介绍：

图2：单片机管脚
单VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。
GND（20）：接地。
P0端口（P0.0-P0.7）：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1端口（P1.0-P1.7）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2端口（P2.0-P2.7）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口，用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3端口（P3.0-P3.7）：P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
复位RST(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个引脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P3.0-P3.7口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。
ALE/ (30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，则置位无效。
(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将不出现。
EA/VPP(31)：当 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， 将内部锁定为RESET；当 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V的编程电源（VPP）。
XTAL1(19)：来自反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。片机的管脚如图2所示。
2.1.2 晶振电路与复位电路
本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC52单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。
本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，如下图3：

图3：晶振电路与复位电路
2.2.3矩阵键盘
键盘是与单片机进行人机交互的最基本的途径，其以按键的形式来设置控制功能或输入数据，按键的输入状态本质上是一个开关量。对于简单的开关量的输入可以采用独立式按键，这种方法接口简单，但占用单片机I/O端口资源较多。对于输入参数较多、功能复杂的系统，需要采用矩阵式键盘进行输入控制。本系统采用2*3矩阵式键盘，键盘连接方式如图4所示：
图4：矩阵键盘

2.2脉冲整形触发电路设计
图5：脉冲触发整形电路
脉冲触发整形电路如上图5所示。当光透过光栅时，光电门导通，NPN接受到高电压使三极管也导通，从而使单片机接受到一个从高电平到低电平的下降沿信号。

2.3 LCD1602
液晶显示器（LCD）是一种功耗很低的显示器，它的使用非常广泛，比如电子表、计算器、数码相机、计算机的显示器和液晶电视等。电机调速过程中所需要显示的信息比较多，为了能直观的看到结果，本设计采用液晶显示屏LCD进行显示，具体连接方式如图6所示。
图6：LCD1602电路

2.4电机参数
图7：电机实物图及参数
电机的实物图及参数如上图7所示。电机的线码盘为41线，电机转动一周会发出41个脉冲信号。其一些实测数据如下表所示：

电压V
空载电流（mA）
转速（r/min）
堵转电流（A）
5
50
1000
0.5
12
80
4300
1.2
24
12-
8600
2.3
2.5 电机驱动模块
2.5.1 模块描述
1 双全新电机驱动芯片，兼容L9110
2 模块供电电压：2.5-12V
3 适合的电机范围：电机工作电压2.5v-12V之间，最大工作电流0.8A
4 可以同时驱动2个直流电机，或者1个4线2相式步进电机。
5 PCB板尺寸：2.8cm*2.1cm 超小体积，适合组装
6设有固定安装孔，直径：3mm
2.5.2 模块接口说明
6P黑色弯排针说明:
1 VCC 外接2.5V-12V电压
2 GND 外接GND
3 IA1 外接单片机IO口
4 IB1 外接单片机IO口
5 IA2 外接单片机IO口
6 IB2 外接单片机IO口
4P绿端子说明:
1 OA1 OB1 接直流电机2个引脚，无方向
2 OA2 OB2 接直流电机2个引脚，无方向
2.5.3模块使用说明
接通VCC，GND 模块电源指示灯亮
IA1输入高电平，IB1输入低电平，【OA1 OB1】电机正转；
IA1输入低电平，IB1输入高电平，【OA1 OB1】电机反转；
IA2输入高电平，IB2输入低电平，【OA2 OB2】电机正转；
IA2输入低电平，IB2输入高电平，【OA2 OB2】电机反转；

3 软件设计
3.1 操作说明
矩阵键盘3排6个按键分别对应不同的功能。功能如下图8所示：
图8：矩阵键盘按键功能
电机默认的启动状态为3档速度，方向正转。可以通过不同的功能按键来对电机的起停、正反转、转速等控制。电机的实时状态会显示在LCD1602中。电机转速1s刷新一次。
3.2 c程序设计
3.2.1 LCD1602
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
图9：LCD1602寄存器选择控制表
LCD1602的寄存器控制如上图9所示。当写入数据时，令RE=1 R/W=0;使能端E设置为低电平，单片机I/O口输出指令，令使能端为E低电平，此时E下降沿是LCD1602写入指令。想LCD1602写入数据用同样的方法。写入数据或指令程序流程图如下图10所示。
开始

R/E=0 E=0

RS=0?

结束
N
Y

E=1向指令寄存器写指令
E=1 向数据寄存器写数据

图10：LCD1602写入指令/数据流程图

3.2.2 矩阵键盘读取
矩阵键盘读取数值的流程如下图11所示。

开始

P1=0x0f

P1=0x0f？

Key_sure=1

Y
N

延时1ms

P1=0x0f？

Y
N

key_sure=1?

N
Y

确定输入值，key_sure=0;

图11：矩阵键盘运行流程
3.2.3 占空比计算
本单片机采用的是24M晶振，且设置PWM周期为10ms。当设定好档位K时，可以根据一下公式计算出PWM占空比的定时器定时时间。
低电平信号TL1=(65536-2000*(10-K))%255;
低电平信号TH1=(65536-2000*(10-K)-TL1)/255;
高电平信号TL1=(65536-2000*K)%255;
高电平信号TH1=(65536-2000*K-TL1)/255;
3.2.4 PWM信号产生
PWM信号根据占空比计算所得的数值附给定时器。定时器1采用方式1定时。并几下当前 电平的状态。当状态为1时，表示输出为高电平，计时器载入高电平信号的时间；当状态为0时，表示输出应为低电平，计时器载入低电平信号时间。每进入一次中断，状态加一与2取余数。
3.2.5 转速计算
通过T0计时器/计数器计数。本设计采用M法测速。当单片机P3.2口接收到下降沿信号时，产生中断，每产生一次中断，给计一次数。直到产生第100个PWM信号后，根据公式speed=(60*下降沿个数)/(41)计算出电机转速并刷新屏幕。每次计算完成后，重新给PWM信号和下降沿中断信号计数，以能够继续准确的测出电机转速。
3.2.6 换向
当电机高速运转时，若直接换向则会导致过流现象。故在换向时，软件上要停止PWM信号产生，并进行一段延迟，让电机转速降为0时，在定时器开始工作，输出PWM信号换向。当PWM1信号为高电平，PWM2信号为低电平时，电机正转；PWM1为低电平，PWM2为高电平时，电机反转；当PWM1和PWM2信号都为低电平时，电机停止。

4 系统调试
4.1 PWM信号调试
用PROTUES仿真测量PWM信好的周期与占空比。由于在设计中，单片机采用24MHz的晶振，且定时器采用方式1的方法进行计时，故应设置一周期定时器在入值TC=2^16-2000；但在仿真中，实际测的PWM的周期约为12.6ms，仿真如下图12所示：

图12：PWM信号周期测试图1
根据仿真测得的PWM信号进行对计数器载入值调整，当TC=2^16-1511时，PWM周期约为10ms，测试结果如下图13所示：

图13：PWM信号周期测试2
4.2 电机转速测试
档位
转速（r/min）
占空比（%）
1
500
30
2
670
40
3
790
50
4
870
60
5
930
70
6
980
80
7
1014
90

5 结束语
通过此次的课程设计，让我对单片机的运用更加的熟练。对其定时器的了解更加深刻。也学会了运用单片机产生PWM信号来控制电机的运行。同样的也加深了对开环电机调速的理解，以及提高了我程序的编写，排序能力。这次课程设计让我对运用单片机实际做东西有了更多感触，如：PWM信号产生，定时器设定的值不一定就是实际的定时值，因为在中断中程序的运行也需要一定的时间，也造成了单片机无法产生频率极高的PWM信号。

6 参考文献
[1]. 王兆安 刘进军.电力电子技术 北京：机械工业出版社，2009，5
[2]. 张俊谟 单片机中级教程 北京：北京航空航天大学出版社，2006，10
[3]. 林瑞光 电机与拖到基础 杭州：浙江大学出版社，2012，7
[4]. 陈伯时 电力拖动自动控制系统 北京：机械工业出版社，2009，8
7 附录
7.1 设计图纸

7.2 元器件清单
符号
名称
规格
数量
R1
电阻
10K
1
R2
电阻
20K
1
R3
电阻
4.7K
1
R4
电阻
5.1K
1
STC89C52R
单片机

1
8090
三极管
NPN
1
HC-36
电机驱动模块

1
M
电机

1

7.3 程序
#include<reg52.h>
#include<stdio.h>

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

#define LCD_FL 0X80 //第一行地址0x80-0xA7
#define LCD_SL 0Xc0 //第二行地址0xC0-0xE7
#define LCD_S 0X0c //开显示 不显示光标 光标不闪烁
#define LCD_Display_mode 0X38 //设置16x2显示 5x7点阵 8位数据接口
#define LCD_clear 0x01 //清屏指令 数据指针清零 所有显示清零
#define COM 0//指令
#define DATE 1 //数据

sbit PWM1=P2^0; // pwm1信号
sbit PWM2=P2^1; // pwm2信号

sbit RS=P2^4; // LCD1602 寄存器选择
sbit RW=P2^5; //1602读写选择
sbit E=P2^6; // 1602使能端

int state,direction,rank;//起停1on 0 off 方向 1正2反 档位
int key_in;//按键输入
int BG;//输出高低点评状态
uint RAND,S;int speed;//数度计算参数

int PHTH,PHTL,PLTL,PLTH;//定时器时间

void delay_1ms(int t) // 1ms大致延时
{
int i,j;
for(i=0;i<t;i++)
for(j=0;j<120;j++);
}

//----------------------------------------------------------------------------------------------lcd1062
void delay(uint a)//小延时
{
while(a--);
}

void write(uint x,uchar sth)// 命令或数据写入
{
RS=x;RW=0;E=0;
P0=sth;
delay(3);
E=1;
delay(25);
E=0;
}

void write_string(uint line,uchar *str) // 字符串输入
{
write(COM,line);
while(1)
{
if(*str=='\0') break;
write(DATE,*str);
str++;
delay(50);
}
}

void lcd_init() // 初始化
{
delay_1ms(15);
write(COM,LCD_Display_mode);
delay_1ms(5);
write(COM,LCD_S);
delay_1ms(5);
write(COM,LCD_clear);
delay_1ms(5);
write_string(LCD_FL,"STATE:CW OFF"); //cw顺时针,正转 ccw逆时针
delay_1ms(5);
write_string(LCD_SL,"RS(rpm):0 ");
}

//-----------------------------------------------------------------------------------------------------

//------------------------------------------------------------------------------------------------------键盘输入
void key()
{
static int key_sure=0;//避免一直按着一个键的时候一直读入
uint key_flash;
key_in=-1;
P1=0x0f;
if((P1&0x0f)!=0x0f)
{
delay_1ms(1);
if((P1&0x0f)!=0x0f&&key_sure==1)
{
key_sure=0;
key_flash=P1|0xf0;
P1=key_flash;
switch(P1)
{
case 0xee: key_in=1;break;//+
case 0xed: key_in=2;break;//-
case 0xde: key_in=4;break;//正转
case 0xdd: key_in=5;break;//反转
case 0xbe: key_in=7;break;//启动
case 0xbd: key_in=8;break;//停止
}
}
}
else
{
key_sure=1;
}
}

//---------------------------------------------------

//------------------------------------------- 根据档位进行占空比计算
void time_calculate()
{
PLTL=(65536-1511*(10-rank))%255;
PLTH=(65536-1511*(10-rank)-PLTL)/255;
PHTL=(65536-1511*rank)%255; //2000,实际周期12.6ms 1587，10.5ms
PHTH=(65536-1511*rank-PHTL)/255;
}

//------------------------------------------------

//------------------------------------------------pwm信号产生
void pwm_on()
{
BG=1;
time_calculate();
if(direction==1)
{
PWM1=1;
PWM2=0;
}
else
{
PWM1=0;
PWM2=1;
}
TR1=1;ET1=1;
TH1=PHTH;
TL1=PHTL;
RAND=0;S=0;
}

//-------------------------------------------------------------------

//-----------------------------------------------------电机转速计算
void speed_calculate()
{
char yy[4];
S=0;speed=0;
speed=(60*RAND)/(41);
RAND=0;
sprintf(yy,"%d",speed);

if(speed%1000==0)
{yy[3]='\0';}
delay(5) ;
write_string(LCD_SL+8," "); //屏幕清空
delay(35);
write_string(LCD_SL+8,yy);
}

//-------------------------------------------------------------------

//--------------------------------------------------------------计时器1中断
void time0() interrupt 3
{

time_calculate();
BG++;S++;
if(BG==1)
{
TH1=PHTH;
TL1=PHTL;
}
else
{
BG=0;
TH1=PLTH;
TL1=PLTL;
}
if(direction==1) {PWM1=~PWM1;PWM2=0;}
else {PWM2=~PWM2;PWM1=0;}
}

//---------------------------------------------------------------------

//--------------------------------------------------------计数器中断
void time2() interrupt 0
{
RAND++;
if(S==200)
{speed_calculate(); }
}
//-------------------------------------------------------------

//------------------------------------------------------------主程序
void main()
{
rank=5; // 设置默认转速
state=0; // 电机停止状态
direction=1; // 电机转向为正方向
PWM1=0; // 无PWM信号
PWM2=0; //
lcd_init(); // 初始化屏幕
while(1)
{
key();
if(key_in>0)
{
if(key_in==1||key_in==2)
{
if(key_in==1&&rank<9)
{
rank++;
}
if(key_in==2&&rank>3)
{
rank--;
}
time_calculate();
}
else
if(key_in==7||key_in==8)
{

if(key_in==8&&state==1)
{
PWM1=0;PWM2=0; TR1=0;ET1=0;state=0; //定时器和计数器中断设置
EX0=0;
write_string(LCD_SL,"RS(rpm):0 ");
}
else
if(key_in==7&&state==0)
{
TR1=1;ET1=1;EA=1;TMOD=0x10;
BG=1; state=1;IT0=1;EX0=1;PX1=1; //定时器和计数器中断设置
//定时器1以方式1记时
//计数器0以下降沿触发中断
S=0;RAND=0;
pwm_on();
}
}
else
if(key_in==4||key_in==5)
{
if(direction==2&&key_in==4)
{
direction=1;PWM1=0;PWM2=0;
TR1=0;ET1=0;
delay_1ms(400);
}
else
if(direction==1&&key_in==5)
{
direction=2;PWM1=0;PWM2=0;
TR1=0;ET1=0; //换向时先停止在换向
delay_1ms(400);
}

if(state==1)
{
pwm_on();
}
}

key_in=-1;

write_string(LCD_FL,"STATE: ");
if(state==1)
{
char xx[5];int R;
R=rank-2;
sprintf(xx, "%d", R);
write_string(LCD_FL+13,xx);
}
else
{
write_string(LCD_FL+13,"OFF"); //刷新屏幕
}

if(direction==1)
write_string(LCD_FL+6,"CW");
else
write_string(LCD_FL+6,"CCW");
}
}
}
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