直流電機PWM調速器設計.doc

課課 程程 設設 計計 任任 務務 書書 目目 錄錄 摘摘 要要 2 2 1 1 直流電機直流電機 3 3 1 1 直流電機特性 3 1 2 直流電機的原理 3 1 3 直流電機的主要技術參數(shù) 3 1 4 直流電機調速技術指標 3 2 2 單片機的相關知識單片機的相關知識 4 4 2 1 單片機簡介 4 2 2 單片機的特點 4 2 3 AT89C51 單片機介紹 5 3 3 硬件電路設計硬件電路設計 6 6 3 1 PWM 波形的程序實現(xiàn) 6 3 2 直流電動機驅動 7 3 3 續(xù)流電路設計 8 4 4 軟件設計軟件設計 9 9 4 1 主程序設計 9 4 2 數(shù)碼顯數(shù)設計 10 4 3 功能程序設計 10 4 4 仿真圖 13 4 5 仿真結果分析 15 5 5 學習心得體會學習心得體會 1515 參考文獻參考文獻 1616 1 摘摘 要要 本文是對直流電機 PWM 調速器設計的研究 主要實現(xiàn)對電機的控制 為實現(xiàn)系統(tǒng)的 微機控制 在設計中 采用了 AT89C51 單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分 配以各種顯示 驅動模塊 實現(xiàn)對電動機轉速參數(shù)的顯示和測量 由命令輸入模塊 光 電隔離模塊及 H 型驅動模塊組成 采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入 單片機在 過程控制下 不斷給光電隔離電路發(fā)送 PWM 波形 H 型驅動電路完成電機正反轉控制 在 設計中 采用 PWM 調速方式 通過改變 PWM 的占空比從而改變電動機的電樞電壓 進而 實現(xiàn)對電動機的調速 設計的整個控制系統(tǒng) 在硬件結構上采用了大量的集成電路模塊 大大簡化了硬件電路 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 使整個系統(tǒng)的性能得到提高 關鍵詞 關鍵詞 AT89C51 單片機 PWM 調速 正反轉控制 2 1 1 直流電機直流電機 1 11 1 直流電動機特性直流電動機特性 直流電動機具有良好的線性調速特性 簡單的控制性能 優(yōu)異的動態(tài)特性 目前仍 然是大多數(shù)調速控制電動機的最優(yōu)選擇 近年來隨著計算機進入控制領域 以及 PWM 控 制方式成為主流 應用單片機技術和脈寬調制技術對直流電動機進行調速控制 是各種 智能化產品的首選方案 如今 計算機軟件和硬件技術的快速發(fā)展 在許多領域都有成 熟的仿真軟件在應用 Inter 公司推出的 Proteus 是一套基于標準仿真引擎的電路分析 實物仿真系統(tǒng) 該軟件具有交互式動畫仿真 基于圖形的仿真和基于微控制器的仿真三 種模式 其最大的特點就在于它能夠仿真單片機及其外圍芯片 通過 Proteus 軟件仿真 可以更好地幫助學生及工程師運用單片機技術進行計算機控制系統(tǒng)的設計 1 21 2 直流電機工作原理直流電機工作原理 直流電機模型如圖 1 2 所示 磁極 N S 間裝著一個可以轉動的鐵磁圓柱體 圓柱體 表面固定線圈 abcd 當線圈流過電流時 線圈受到電磁力作用 產生旋轉 根據(jù)左手定 則可知 當流過線圈中電流改變方向時 線圈的受力方向也將改變 因此通過改變線圈 電流的方向實現(xiàn)改變電機的方向 圖 1 2 直流電動機電路模型 1 31 3 直流電機主要技術參數(shù)直流電機主要技術參數(shù) 額定功率 Pn 在額定電流和電壓下 電機負載能力 額定電壓 Ue 長期運行的最高電壓 額定電流 Ie 長期運行的最大電流 額定轉速 n 單位時間內的電機轉動快慢 勵磁電流 If 施加到電極線圈上的電流 1 41 4 直流電機調速技術指標直流電機調速技術指標 1 4 11 4 1 調速范圍調速范圍 調速范圍是指在一定的負載轉矩下 電動機可能運行的最大轉速 max n 與最小 轉速min n 之比 即 A B a b c d N S 圖圖1 1 1 1 直直流流電電機機工工作作 3 min max n n D 1 4 21 4 2 調速的相對穩(wěn)定性和靜差度調速的相對穩(wěn)定性和靜差度 所謂相對穩(wěn)定性 是指負載轉矩在給定的范圍內變化時所引起的速度的變化 它決定 于機械特性的斜率 靜差度 又稱靜差率 是指當電動機在一條機械特性上運行時 由理想空載到滿載時的 轉速降落與理想空載轉速 n0 的比值 用百分數(shù)表示 即 100 n n 0 在一般情況下 取額定轉矩下的速度落差 N n 有 100 n n 0 N 1 4 31 4 3 調速的平滑性調速的平滑性 調速的平滑性是指在一定的調速范圍內 相鄰兩級速度變化的程度 用平滑系數(shù) 表 示 即 1 i i n n 式中 i n 和 1 i n 相鄰兩級 即 i 級與 i 1 級的速度 1 4 41 4 4 調速時的容許輸出調速時的容許輸出 調速時的容許輸出是指電動機在得到充分利用的情況下 在調速過程中軸能夠輸出的 功率和轉矩 2 2 單片機識的相關知識單片機識的相關知識 2 12 1 單片機簡介單片機簡介 單片機全稱為單片機微型計算機 Single Chip Microsoftcomputer 從應用領域來 看 單片機主要用來控制 所以又稱為微控制器 Microcontroller Unit 或嵌入式控 制器 單片機是將計算機的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計算機 2 22 2 單片機的特點單片機的特點 1 單片機的存儲器 ROM 和 RAM 時嚴格區(qū)分的 ROM 稱為程序存儲器 只存放程序 固定 常數(shù) 及數(shù)據(jù)表格 RAM 則為數(shù)據(jù)存儲器 用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù) 2 采用面向控制的指令系統(tǒng) 為滿足控制需要 單片機有更強的邏輯控制能力 特別 是單片機具有很強的位處理能力 3 單片機的 I O 口通常時多功能的 由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限 為了解決實際 引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾 采用了引腳功能復用的方法 引腳處于何種功能 可由 指令來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分 4 4 單片機的外部擴展能力很強 在內部的各種功能部件不能滿足應用的需求時 均可 在外部進行擴展 與許多通用的微機接口芯片兼容 給應用系統(tǒng)設計帶來了很大的方便 2 32 3 AT89C51AT89C51 單片機介紹單片機介紹 VCC 供電電壓 GND 接地 P0 口 P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I O 口 每腳可吸收 8TTL 門電流 當 P1 口的 管腳第一次寫 1 時 被定義為高阻輸入 P0 能夠用于外部程 序數(shù)據(jù)存儲器 它可以被定 義為數(shù)據(jù) 地址的第八位 在 FIASH 編程時 P0 口作為原碼輸入口 當 FIASH 進行校驗 時 P0 輸出原碼 此時 P0 外部必須被拉高 P1 口 P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流 P1 口管腳寫入 1 后 被內部上拉為高 可用作 輸入 P1 口被外部下拉為 低電平時 將輸出電流 這是由于內部上拉的緣故 在 FLASH 編程和校驗時 P1 口作為 第八位地址接收 P2 口 P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P2 口緩沖器可接收 輸出 4 個 TTL 門電流 當 P2 口被寫 1 時 其管腳被內部上拉電阻 拉高 且作為輸入 并因 此作為輸入時 P2 口的管腳被外部拉低 將輸出電流 這是由于內部上拉的緣故 P2 口 當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存 儲器進行存取時 P2 口輸出地址的高八 位 在給出地址 1 時 它利用內部上拉優(yōu)勢 當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫 時 P2 口輸出其特殊功能 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U4 AT89C51 圖 2 1 89C51 單片機 寄存器的內容 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號 P3 口 P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I O 口 可接收輸出 4 個 TTL 門電流 當 P3 口寫入 1 后 它們被內部上拉為高電平 并用作輸入 作為輸入 由于外部下 5 拉為低電平 P3 口將輸出電流 ILL 這是由于上拉的緣故 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 口管腳 備選功能 P3 0 RXD 串行輸入口 P3 1 TXD 串行輸出口 P3 2 INT0 外部中斷 0 P3 3 INT1 外部中斷 1 P3 4 T0 記時器 0 外部輸入 P3 5 T1 記時器 1 外部輸入 P3 6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3 7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號 RST 復位輸入 當振蕩器復位器件時 要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間 ALE PROG 當訪問外部存儲器時 地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié) 在 FLASH 編程期間 此引腳用于輸入編程脈沖 在平時 ALE 端以不變的頻率周期輸出 正脈沖信號 此頻率為振蕩器頻率的 1 6 因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目 的 然而要注意的是 每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器 時 將跳過一個 ALE 脈沖 如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0 此時 ALE 只有在執(zhí)行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起 作用 另外 該引腳被略微拉高 如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止 置位無效 PSEN 外部程序存儲器的選通信號 在由外部程序存儲器取指期間 每個機器周期 兩次 PSEN 有效 但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時 這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn) EA VPP 當 EA 保持低電平時 則在此期間外部程序存儲器 0000H FFFFH 不管是 否有內部程序存儲器 注意加密方式 1 時 EA 將內部鎖定為 RESET 當 EA 端保持高電 平時 此間內部程序存儲器 在 FLASH 編程期間 此引腳也用于施加 12V 編程電源 VPP 3 3 硬件電路設計硬件電路設計 3 13 1 PWMPWM 波形的程序實現(xiàn)波形的程序實現(xiàn) 改變占空比可以改變電樞端電壓 改變占空比的方法有 3 種 即定寬調頻法 調寬 調頻法和定頻調寬法 前兩種方法均改變了信號的頻率 當頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時 將引起振蕩 故應用較少 目前在直流電動機的控制中以 PWM 控制方式為主 PWM 信號的 產生通常有兩種途徑 傳統(tǒng)的方法是利用硬件電路實現(xiàn) 隨計算機技術及電力電子技術 的發(fā)展 PWM 波形采用軟件方法實現(xiàn)顯得非常靈活和實用以 89C51 單片機為控制核心 晶 振頻率為 12MHz 定 時計數(shù)器 TO T1 作定時器使用 工作在方式 1 定時時間為 0 1ms 若 PWM 波形的頻率為 50 Hz 占空比為 1 1 則和 R0 載人 30H 和 31H 單元的值初始 100 若在程序中利用按鍵產生中斷調用來改變 30H 和 31H 單元的值就可以改變占空比 系 統(tǒng)流程圖如圖 2 所示 6 圖 2 程序流程圖 3 23 2 直流電動機驅動直流電動機驅動 在直流電動機的驅動中對大功率的電動機常采用 IGBT 作為主開關組件 對中小功率 的電機常采用功率場效應管作為主開關組件 另外還可以采用集成電路來完成對電機的驅 動系統(tǒng)采用集成電路 L298 來驅動電機 圖 3 L298 內部結構和功能引腳圖 L298 是雙 H 高電壓大電流功率集成電路 直接采用 L 邏輯電平控制 可以驅動繼電 器 直流電動機 步進電動機等電感性負載 其內部有兩個完全相同的功率放大回路 其內部結構和引腳功能如圖 3 所示 開 始 正 轉 系統(tǒng)初始化 反 轉 停 止 調顯示子程序 發(fā)正轉命令 發(fā)反轉命令 發(fā)停止命令 Y Y Y 7 表 3 1 L298 引腳符號及功能 引腳功能 SENSA SENSB分別為兩個 H 橋的電流反饋腳 不用時可以直接 接地 ENA ENB使能端 輸入 PWM 信號 IN1 IN2 IN3 IN4輸入端 TTL 邏輯電平信號 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4輸出端 與對應輸入端同邏輯 VCC邏輯控制電源 4 5 7V VSS電機驅動電源 最小值需比輸入的低電平電壓高 GND地 當使能端為高電平時 輸入端 IN1 為 PWM 信號 IN2 為低電平信號時 電機正轉 輸入端 IN1 為低電平信號 IN2 為 PWM 信號時 電機反轉 IN1 與 IN2 相 同時 電機快速停止 當 使能端為低電平時 電動機停止轉動 3 33 3 續(xù)流電路設計續(xù)流電路設計 由于電機具有較大的感性 電流不能突變 若突然將電流切斷 將在功率管兩端產 生很高的電壓 損壞器件 我們在此電路中應用的是二極管來續(xù)流 利用二極管的單向 導通性 二極管的選用要根據(jù) PWM 的頻率和電機的電流來決定 二極管要有足夠迅速的 恢復時間和足夠的電流承受能力 由于電機具有較大的感性 電流如果突變易損壞功率胳即 L298 芯片 為保護芯片加 上洗續(xù)流電路 電路的工作原理替如圖 3 7 所示 電路的工作原理 當電機正轉時 若突然掉電 D1 D4 導通 D2 D3 截止 當電機反轉時 突然掉電 D2 D3 導通 D1 D4 截止 D1D2 D3D4 M M1 VS Y1 Y2 圖 3 7 續(xù)流電路工作原理圖 8 4 4 軟件設計軟件設計 4 14 1 主程序設計主程序設計 該主程序主要完成初始化 設置定時常數(shù)和中斷入口程序 主程序不斷的循環(huán)處于等待 中斷狀態(tài) ORG 0000H AJMP START ORG 0003H LJMP INT0 ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0030H 系統(tǒng)初始化 START MOV SP 60H 賦初值 MOV R0 00H 給 R0 送值 0 MOV R1 00H 給 R1 送值 0 CLR P1 5 置 0 CLR P1 6 置 0 CLR P1 7 置 0 MOV TMOD 01H 寫控制字 MOV TL0 0FFH 置定時常數(shù) MOV TH0 0FFH SETB EA 允許中斷 SETB EX0 允許外部中斷 0 SETB ET0 允許 TL0 中斷 CLR IT0 SETB TR0 啟動 TL0 圖 4 1 主流程圖 開 始 正 轉 系統(tǒng)初始化 反 轉 停 止 調顯示子程序 發(fā)正轉命令 發(fā)反轉命令 發(fā)停止命令 Y Y Y 9 4 24 2 數(shù)碼顯數(shù)設計數(shù)碼顯數(shù)設計 通過 P1 1 P1 2 口來控制數(shù)碼 顯示通過查表和調用延時實現(xiàn)數(shù)的顯示 程序代碼 MOV DPTR TAB MOV 40H 0 置 0 MOV 41H 0 置 0 LED SETB P1 1 P1 1 置 1 CLR P1 2 P1 2 清 0 MOV A 40H 將 40H 的內容送往 A MOVC A A DPTR 查表 MOV P0 A 查表所得 A 值送往 P0 口 LCALL TTS 調用延時 CLR P1 1 P1 1 清 0 SETB P1 2 P1 2 置 1 MOV A 41H 將 41H 的內容送往 A MOVC A A DPTR 查表 MOV P0 A 查表所得 A 值送往 P0 口 LCALL TTS 調用延時 CLR P1 2 P1 2 口清 0 LJMP LED 跳轉到 LED ORG 2000H TAB DB 40H 79H 24H 30H 19H DB 12H 02H 78H 00H 10H 4 34 3 功能程序設計功能程序設計 結束中斷后轉入相應的功能鍵程序 為加速 減速 正轉 反轉 暫停 程序代碼 ITT0 CPL P1 5 P1 5 口取反 JNB P1 5 Z1 MOV A 0FFH 低電平定時 SUBB A R0 MOV TH0 A SETB TR0 啟動 TL0 10 RETI Z1 MOV TH0 R0 高電平定時 SETB TR0 RETI INT0 CLR EX0 實現(xiàn)鍵盤控制 MOV A 0FFH MOV P2 A MOV A P2 JNB ACC 0 JIA JNB ACC 1 JIAN JNB ACC 2 FF 圖 4 2 數(shù)碼顯示流程圖 圖 4 3 中斷子程序流程圖 JNB ACC 3 ZZ JNB ACC 4 TZ AJMP CC JIA CJNE R0 0FFH AA 實現(xiàn)電機加速 AJMP CC 11 AA MOV A R0 ADD A 25 MOV R0 A AJMP CC JIAN CJNE R0 00 BB 實現(xiàn)電機減速 AJMP CC BB MOV A R0 SUBB A 25 MOV R0 A AJMP CC CC MOV A R0 數(shù)碼顯數(shù) MOV B 25 DIV AB MOV B 10 DIV AB MOV 40H A MOV 41H B SETB EX0 LCALL TTS 調用延時 LCALL TTS 調用延時 LCALL TTS 調用延時 LCALL TTS 調用延時 RETI FF SETB P1 6 電機反傳 CLR P1 7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI ZZ CLR P1 6 電機正轉 SETB P1 7 12 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TZ CLR P1 6 實現(xiàn)電機停止 CLR P1 7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETI TTS MOV R3 0E0H 延時子程序 TT1S MOV R4 40H TT0S DJNZ R4 TT0S DJNZ R3 TT1S RET END 4 44 4 仿真圖仿真圖 在該設計中 利用 Proteus 軟件進行仿真 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的電 路分析與仿真軟件 運行于 Windows 操作系統(tǒng)上 可以仿真 分析 SPICE 數(shù)字電路 模 擬電路 數(shù)模混合電路 是目前唯一能實現(xiàn)對 51 PIC AVR HC11 ARM 等處理器的仿 真軟件 最后 點擊運行按鈕 啟動系統(tǒng)仿真 圖中電機處于初始化狀態(tài) 仿真結果如圖 4 4 所 示 13 相應電機的顯示如圖 4 5 所示 圖 4 5 仿真結果 2 14 4 54 5 仿真結果分析仿真結果分析 當仿真開始運行時 各個模塊處于初始狀態(tài) 點擊右邊的獨立鍵盤加速或是減速按鈕 顯示模塊便開始顯示數(shù)字 然后點擊正傳或是反轉 電機的驅動模塊能夠實現(xiàn)電機的正 轉 反轉 加速 減