基于单片机AT89S52的直流电机PWM调速控制系统.doc

单片机课程设计题目:直流电机调速系统的设计学院：电气与电子工程专业：自动化班级：100304组长：徐鹏 20100883组员：徐洋 20100885 许佩东 20100886 于思雨 20100888 韩振帅指导教师：白文峰 2013年6月7日第一章:摘要1.1 摘要：直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。直流电机工作原理直流电机电路模型如图3.1所示，磁极N、S间装着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，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图3.1 直流电动机电路模型直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图3.2表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图3.2 直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量。由1.1式和1.2式得n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化。图3.3为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图3.3 占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。1.2本设计任务:任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统设计的主要内容以及技术参数:功能主要包括：1) 直流电机的正转；2) 直流电机的反转；3) 直流电机的加速；4) 直流电机的减速；5) 直流电机的转速在数码管上显示；6) 直流电机的启动；7) 直流电机的停止；第二章：总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。数码管显示按键控制单片机PWM电机驱动键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。 1、系统的硬件电路设计与分析电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。 在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若复合管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了TLP521-2光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，当电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过P10输入高电平信号，P11输入低电平，电机正转；通过P10输入低电平信号，P11输入高电平，电机反转；P10、P11同时为高电平或低电平时，电机不转。通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。2、系统的软件设计 本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和数码管显示等部分的设计。单片机资源分配如下表：P0显示模块接口键盘中断P1键盘模块接口P1.0/P1.1PWM电机驱动接口系统时钟PWM脉宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如下：/*延时函数*/delays()uchar i;for(i=5000;i0;i-);键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个数码管要显示的值。定时中断处理程序：采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值B1E0H可定时20ms，即系统时钟精度可达0.02s。当20ms定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值，并对全局变量time加1，这样，通过变量time可计算出系统的运行时间。3、软件设计中的特点:对于电机的启停，在PWM控制上使用渐变的脉宽调整，即开启后由停止匀加速到默认速度，停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机。键盘处理上采用中断方式，不必使程序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。第三章：系统硬件电路设计整体框图如下：第四章：系统功能调试仿真整体图如下： 直流电机的调试功能仿真如下图：1、正转时，电机正转，数码管最高位显示“三”,其它三位先所给定频率，如下图：2、反转时，电机反转，数码管最高位显示“F”,其它三位先所给定频率，第五章：程序见附件1见附件2第六章：元件清单见附件3第七章：心得体会略附件1/*基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速控制系统*/#include #include #include /* / /*自定义变量*/#define uint unsigned int /自定义变量#define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw;uchar j; /定时次数，每次20msuchar f=5; /计数的次数sbit P10=P10; /PWM输出波形1sbit P11=P11; /PWM输出波形2sbit P12=P12; /正反转sbit P13=P13; /加速sbit P14=P14; /减速sbit P15=P15; /停止sbit P16=P16; /启动uchar k;uchar t; /脉冲加减/*/*/*控制位定义*/uchar code smg12=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71;/程序存储区定义字型码表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x01; /位码uint x; /数码管显示的数值display(); /数码管显示 delays(); /延时函数key();displays();/*/*主函数*/main (void) TMOD=0x51; /T0方式1 定时计数T1方式1计数TH0=0xb1; /装入初值 20MSTL0=0xe0;TH1=0x00; / 计数567TL1=0x00;TR0=1; /启动 t0TR1=1; /启动t1gw=sw=bw=qw=0; /数码管初始化P0=0xc0;P2=1;while(1) /无限循环 display(); /数码管显示 key(); /*/*数码管显示*/display()uchar i; gw=x%10; /求速度个位值，送到个位显示缓冲区sw=(x/10)%10; /求速度十位值，送到十位显示缓冲区bw=(x/100)%10; /求速度百位值，送到百位显示缓冲区qw=x/1000; /求速度千位值，送到千位显示缓冲区for(i=0;i0;i-);/*/*t0定时*中断函数*/void t0() interrupt 1 using 2TH0=0xb1; /重装t0TL0=0xe0;f-;if(k=0) if(ft) P10=1; else P10=0; P11=0; else if(f=5)t=5;if(P14=0) /减速while(P14=0);t-;if(t1)t=1;if(P15=0) /停止while(P15=0);EA=0;P10=0;P11=0; /*/附件2：元件数量（个）元件数量（个）光电耦合器：TLP521-21三极管85504按键5三极管80505自锁按键11N40074At89s521四位一体数码管112M晶振1电容1041Led1直流电机1电阻1K3电容22P2电阻10K1电解电容47P/16V274LS041下载口1 参考文献 1 王兆安等.电力电子技术M. 北京.机械工业出版社.2000年.2 周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真M.北京.中国电力出版社，2007年.3 陈伯时.运动控制系统M. 北京.机械工业出版社.2003年.4 黄家善等.电力电子技术M. 北京.机械工业出版社.2007年.5孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用M.北京.中国电力出版社.2008年.6 杨素行.模拟电子技术基础M.高等教育出版社. 2003年. 7 陈明荧. 8051单片机基础教程M.科学出版社. 2003年. 8 康华光.电子技术基础数字部分M.高等教育出版社. 2004年.9 李广第.单片机基础 M.北京航空航天大学出版社. 1999年.