本科毕业论文基于单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

本科毕业论文 基于单片机的直流电机 速控制系统设计 所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械 设计 制造与自动化 年 级 学 生 姓 名 、 学 号 指导教师姓名 、 职称 完 成 日 期 2013 年 5 月 摘要 I 摘 要 本文主要研究了利用 列单片机控制 号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。 本文 中采用了专门的芯片组成了 号的发生系统，并且对 号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对 号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到 A/且最终作为反馈值 输入到单片机进行 算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了 算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词 ： 速发电机 ， 直流电动机 I to WM by to of a It WM to WM s is in to of is , is in in a PI As in of to PI 录 录 1 引言 . 1 题背景 . 1 发背景 . 1 题意义 . 2 究方法及调速原理 . 2 流调速系统实现方式 . 4 制程序的设计 . 5 2 系统硬件电路的设计 . 6 统总体设计框图及单片机系统的设计 . 6 片机简介 . 6 片机的组成 . 6 部分部件的作用和功能 . 7 片机引脚图 . 8 片机系统中所用其他芯片选型 . 8 址锁存器 . 8 序存储器 . 9 据存储器 . 10 片机扩展电路及分析 . 11 3 号发生电路设计 . 13 基本原理 . 13 统的硬件电路设计与分析 . 13 H 桥的驱动电路设计方案 . 14 4 功率放大驱动电路设计 . 16 片 能及特点 . 16 引脚图以及功能 . 16 极限参数和限制： . 17 5 主电路设计 . 19 时保护电路 . 19 目录 电路 . 19 出电压波形 . 22 测速发电机 . 22 机速度的测量并显示功能仿真 . 22 波电路 . 23 A/D 转换 . 23 片 绍 . 23 引脚及其功能 . 24 6 系统功能调试 . 25 . 28 I 转速调节器原理图及参数计算 . 28 统中的部分程序设计 . 29 片机资源分配 . 29 程序 . 29 程序流程图 . 33 总结 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 本科毕业论文 1 1 引言 题背景 发背景 在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流 电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机 、 永磁式换流器直流电机 、伺服电机 、 两相低电压交流电机 直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适 用范围 ： 直流调速器 可以应用在 造纸印刷、纺织印染、光缆 设备 、电工 技术设备 、食品加工机械、橡胶 加工 机械、生物 制药 设备、电路板设备、实验 器材 、 特种加工 、轻工 业 、 输送设备 车辆 工程 、医疗设备、通讯设备、雷达设备 等行业中 。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。 尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。 本科毕业论文 2 题意义 直流电机 拥有 有良 好 的起制动性能， 可应 用 于在大范围内 的 平滑调速， 也可广泛的应用 于 许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。 在 控制角度来 看 ，直流调速 更 是交流拖动系统的基础。早期的控制 系统较 大部分 以模拟电路 作 为基础，有 运算放大器、非线性集成电路 和 少量数字电路 等 ，控制系统的硬件部分 功能比较 复杂，功能 比较 单一，而且 软件 系统不灵活、 不好 调试， 不利于 直流电动机 调速 技术发展和应用范围。 伴 随着单片机 控制 技术的 快速发展 ，使得许多控制功能算法 以及 软件 得以 完成，为直流电动机 调速 控制提供了更大 的 发展空间 ，并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降 低系统成本，从而有效的提高工作效率。 传统的控制系统采用模拟元件，虽 然 满足了生产要求，但 由于 元件易老化和使用 时容 易受 到 干扰影响，并且线路 很 复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。 目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。 因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义 。 究方法及调速原理 直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式： 本科毕业论文 3 n=U/ / （公式 1 其中： U 电压； 励磁绕组电阻； 磁通 ( 电势常数； 转矩常量。 由上式可知，直流电机的速度控制 分两种方法， 有 电枢控制法 和 磁场控制法。比较两种方法优劣，对于 磁场控制法，其控制功率较小，低速 传动 时 易 受到磁极饱和限制， 而 高速 传动 时 又 受到换向火花和换向器结构限制。所以 磁场控制法 并不合适， 电枢控制法在 电机调速 中是 比较 常用的方法 。 直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的 ,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分 ,这两部分间存在着一定大小的气隙 ,使电机中电路和磁场发生相对运 动 电刷装置和换向极等组成 ,转子部分 主要由 电枢绕组 ,换向器和转轴等构成 ，如图 1 图 1流电机的工作原理图 电枢控制 即 在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在 电机调速 中广泛使用 ， 其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是 利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内本科毕业论文 4 “接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 根据上图， 当 电 动 机始终接通电源时，电机转速最大为 占空比为 D= /T，则电机的平均速度为： D V *D ，可见只要改变占空比 D，就可以得 到不同的电机速度，从而 实现 调速。 流调速系统实现方式 主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现 速系统中占空比是一个重要参数 ， 电源电压不变 时 ，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值： 1、定宽调频法：保持 1t 不变，只改变 t，使周期也随之改变。 2、调宽调频法：保持 改变 1t ，使周期或频率也随之改变。 3、定频调宽法：保持周期 T(或频率 )不变，同时改变 1t 和 t。 1， 2 方法在调速时改变了控制脉冲的周期或频率，当控制脉冲的频率与 系统的固有频率接近时，将会引起振荡， 因而不合适， 用定频调宽法来改变占空 比从而改变直流电动机电枢两端电压。 本科毕业论文 5 制程序 的 设计 控制程序设计有 分 软件延时法和计数法。 用 软件延时法的思路是：先 计算 占空比 （ t(1)/T） ，再 由 周期给电 动 机通电 t(0)，所以 M= t(0)/ t(1)。再断电 S 个单位时间，所以 S= t(2)/ t(0)。改变 了 M 和 S 的值，也就改变了占空比 的值 。 而 计数法的 原理 是： 先 计算 单位延时个数 M，作为定值存放 于 任意一个存储单元中。 等 通电 时 ， 对 通电单位 的 时间的次数进行计 算 ， 且 与存储器内容相 比较。 若 计数值 和 给定 的 值相等 时 ， 则 使电 动 机断电 ， 若不相等，则 要 输出控制脉冲。 软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后，系统进 入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据 高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整 出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。 本科毕业论文 6 2 系统硬件电路的设计 统总体设计框图及单片机系统的设计 本系统采用 制输出数据，由 号发生电路产生 号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和 A/D 转换电路交数据重新送回单片机，进行 算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。 图 2片机简介 片机的组成 片机由 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用 上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 主控芯片 号的产生与放大 直流电机 测速 发电机 滤波 电路 A/D 转换 本科毕业论文 7 部分部件的作用 和 功能 中央处理器 是单片机的核心，完成运算和控制功能。 内部数据存储器： 片中共有 256 个 元，能作为存储器使用的只是前 128 个单元，其地址为 00H 7常说的内部数据存储器就是指这前128 个单元，简称内部 内部程序存储器： 片内部共有 4K 个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部 定时器： 内有 2 个 16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。 中断控制系统：该芯片共有 5个中断源，即外部中断 2 个，定时 /计数中断 2个和串行中断 1 个。 本科毕业论文 8 片机引脚图 片机系统中所用 其他芯片选型 址锁存器 地址锁存器可以选择多种 ,8282 是地址锁存器，功能与 74似，但本系统选用 74为地址锁存器，考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。 74内是 8 个输出带三态门的 D 锁存器。 当使能端呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。其引脚图 如下 所示 ： 本科毕业论文 9 序存储器 存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展，扩展程序存储器常用芯片有 外线可擦除型），如 2716（ 2 2732（ 4、27256（ 32，另外还有 5V 电擦除 2816（ 2 2864（ 8。考虑到系统功能的可扩展性以及程序功能的扩展，本系统采用 16 27128作为程序存储器扩展芯片，在满足系统要求的前提下还存有一定的扩展空间，是本系统 最合适的程序存储器扩展芯片。 27128 的引脚图如图所示： 本科毕业论文 10 据存储器 片机有 128B 数据量超过 128B 也需要把数据存储区进一步扩展。常用 片分静态和动态两种。静态 116(2 6264(8，动态 ，另外还有集成 用 数据存储器有断电保护数据的优点。 数据存储器扩展常使用随机存储器芯片，用的较多的是 司的 6116容量为 2 6264 容量为 8系统采用容量 8 6264 作为数据存储器扩展芯片。其引脚 如下 图所示： 本科毕业论文 11 片机扩展电路及分析 接线分析 ： 8 个引脚共有两种不同功能， 分 两种不同情况。第一种是片机 不带片外存储器， 作为通用 I/O 口使用， 于传送 I/O 数据。第二种是 片外存储器， 问片外存储器时 ， 用于传送片外存储器低 8 位地址， 最终 传送 片外存储器读写 的数据。 组 接口 的第一功能 可以 作为 I/O 使用。它的第二功能 与 间相互 配合， 作用是 输出片外存储器高 8 位地址，选中片外存储器 的 单元，但是并不能像 该 组引脚能为传送用户输 出 /输 入的 数据。 其 第二功能作为控本科毕业论文 12 制用，每个引脚不尽相同。 5V 电源线， _地址锁存 /编程线，配合 引脚第二功能 的 使用，在访问片外存储器 的 时 后 ， 引线上输出片外存储器 的 低 8位地址， 降沿把这个片外存储器低 8 位地址锁存到外部地址锁存器，空出 传送片外存储器 的 读写数据。 _许片外 的 存储器 /编程电源线，可以控制 择 使用片内是 选择使用 片外 果 _1，那么 则 允许使用片内；如果 _0，那允许使用片外。 及 ：片内振荡电路 的 输入线， 用来连接 内 定时反馈电路。石英起振 时 ，应能在 线上 导 出一个 3于 路按石英晶振 同样 频率振荡， 个 电容可以帮助起振，调节它们 同样 可以微调 本科毕业论文 13 3 号发生电路设计 基本原理 调速采用 脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。 定义 :脉宽调制 (利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛 应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。 统的硬件电路设计与分析 电动机 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 理的 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 可以 分为 2 组：两个输入端高低电平 控制 晶体管 是否 导通 或 截止。 4 个二极管在电路中 的作用是 防止晶体管产生 不当 反向电压， 以及 电机两端电流和晶体管本科毕业论文 14 上的电流过大保护。 在实验中的控制系统电压统一为 5此若 复合管基极由控制系统直接控制，则控制 的 电压最高 是 5V， 还有 三极管本身 有 压降，电机两端电压有 4V 左右，严重 削 弱了电机驱动力。 因此 ，我们 可以 运用了 耦集成块，将控制 的 部分 和 电机驱动 的 部分 相 隔离。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 提高 了各模块之间的隔离度， 同样 使驱动电流得到了大大的增强。 H 桥 的 驱动电路设计方案 H 桥式电 动 机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机 ， 因为它的形状 与 字母 因此而得名 。 如 下 图 所示， 要使电 动 机 成功 运转，须 对 对角 线上的一对三极管 通电 。据不同 的 三极管对的导通 通电的 情况，电流会从 右 至 左 或 相反方向流过电机，从而 改变 电机的转 动方 向。 因此 要 想 使电 动 机运转，必须使对角线上 两个 三极 管通 电 。例如，当 与本科毕业论文 15 导通时，电流 从电源正极经 左 到 右 通 过电机，再经 电源 的 负极。同样 4亦是如此 ， 由电流箭头可看， 驱动电 动 机 将 顺时针转动。 本科毕业论文 16 4 功率放大驱动电路设计 该驱动电路采用了 成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。 片 能及特点 美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁术，于 1990 年前后开发并且投放市场的， 概念即 是双通道 的 高压 或 高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。它 可以 把驱动高压侧和低压侧 能集成在一个封装内，外 部 接很少的元件就 可以 提供 非常 快的功耗，与此同时， 研制成功并且投入应用可以极大地提高 控制系统的可靠性。降低了产品成本和减少体积。 引脚 图 以及功能 引脚 1（ 引脚 7（ 对应引脚 12 以及引脚 10 的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道 栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚 1 与引脚 2 以及引脚 7 与引脚 5 之间并接一个 10 引脚 2（ 下通道 动输出参考地端，使用中，与引脚 13（ 接相连，同时接主电路桥臂下通道 源极。 引脚 3（ 直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品 质的电容接引脚 2。 引脚 5（ 上通道 动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动 源极相通。 本科毕业论文 17 引脚 6（ 该端阳极通过阴级与引脚 3 的高 反压 ， 恢复二极管 相连 ，与用户的输出极电源相连，对 引脚 9（ 芯片 的 输入级电源端，使用中，接用户为该芯片高性能 的 电源，为 了 抗干扰，该端应 该 通过高性能 的 去耦网络 的 接地，该端可 以和 引脚 3（ 用同一 个 电源， 同样 也可以 把他们 分开使用两个 相互 独立电源。 引脚 10（ 引脚 12（ ：驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率 输入端。 在 应用 过程 中，接用户脉冲部分 相 对应 的 两路输出， 一般 对 这 两个信号限制为 里 他们相 连接到引脚 13（ 引脚 9（ 电压值。 引脚 11（ 保护信号 的 输入端，当该引脚为高电平时， 出 的 信号全部被封锁，其对应的输出端 是 低电平， 但 当该端接 到 低电平时，则 应伴 随引脚 10与 12的变化 而变化。 引脚 13（ 芯片工作参考地端，使用中，直接与 供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚 2 直接相连。 引脚 8、引脚 14、引脚 4：为空引脚。 如图 极限参数和限制： 最大高端工作电源电压 525V 门极驱动输出最大（脉冲）电流 2A 最高工作频率 1作电源电压 25V 本科毕业论文 18 贮存温度 50 C 工作温度范围 125 C 允许最高结温 150 C 逻辑电源电压 5V 允许参考电压 界 上升率 50000V/ s 高端悬浮电源参考电压 端悬浮输出电压 辑输入电压 辑输入参考电压 端输出电压 耗 装为 科毕业论文 19 5 主电路设计 时保护电路 利用 片的完善设计可以实现延时保护电路。 它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率 件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率 件同时导通而发生直流电源直通路的危险。 电路 从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能 够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中， 者 不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双 号来控制直流电机的正转以及它的速度。 将 与 把 与 相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。 在 直流电机上加正向的工作电压。其具体的操作步骤如下： 当 的电压经过 C 内部电路和 加在 栅极上，从而使得 通。 同理，此时 止， 的电压经过 部电路和 加在 而使得 本科毕业论文 20 电源经 4到达零电位，完成整个的回路。此时直流电机正转。 在 输入高电平， 通，在直流电机上加反向工作电压。其具体的操作步骤如下： 当 1 截止。此时 漏极近乎于零电平， 1向 理可知， 高电平而 低电平， 通且 止， 漏极近乎于零电平，此时 过 3充电，为 又一次导通作准备。 电源经 2到达零电位，完成整个的回路。此时，直流电机反转。 因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。 设 的周期为 T， 高电平的时间为 里忽略死区时间，那么高电平的时间就为 号的占空比为 D=。设电源电压为 V，那么电枢 电压的平均值为： ( T - V / T = ( 2 T ) V / T = ( 2D 1 )V 定义负载电压系数为， = V, 那么 = 2D 1 ；当 T 为常数时，改变 高电平的时间 就改变了占空比 D，从而达到了改变 科毕业论文 21 D 在 0 1 之间变化，因此在 1 之间变化。如果我们联系改变，那么便可以实现电机正向的无级调速。 当 =， ,此时电机的转速为 0； 当 1时， 机正转； 当 =1时， ,电机正转全速运行。 本科毕业论文 22 出电压波形 图 电压波形 测速发电机 测速发电机是输出电动势与转速成比例的微特电机，分为直流与交流两种。其绕组和磁路经过精确设计，输出电动势 E 和转速 E=中变旋转方向时，输出电动势的极性即相应改变。 当被测机构与测速发电机同轴连接时，只要检测出输出电动势，即可以获得被测机构的转速，所以测速发电机又 可以 称 为一种 速度传感器。测速发电机广泛应用于各种控 制系统 中 ，作为 一种 检测速度元件， 它可 以调节电机 的 转速 也可以通过反馈 作用，用以 提高系统稳定性 或者系统的 精度。 机速度的测量并显示功能仿真 对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。用户可以根据液晶显示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。从显示数字的稳定程度，本科毕业论文 23 也可以判断电机转速的稳定性。若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。 图 直流电机系统的 真 波电路 图 滤波电路 A/D 转换 片 绍 8 位、逐次比较式 A/D 转换芯片，具有地址锁存控制的 8 路模拟本科毕业论文 24 开关，应用单一的 +5V 电源，其模拟量输入电压的范围为 0V，其对应的数字量输出为 00换时间为 100 s，无须调零或者调整满量程。 引脚及其功能 28 个引脚，其中 路模拟量输入。 地址锁存允许， 基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。 芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动