基于單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

精品文檔 1歡迎下載 現(xiàn)代工業(yè)的電力拖動(dòng)一般都要求局部或全部的自動(dòng)化 因此必然要與各種控制元 件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái) 而電力拖動(dòng)則可視為自動(dòng)化電力拖動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱 在這一系統(tǒng)中可對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)控制 隨著近代電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 自動(dòng)化電 力拖動(dòng)正朝著計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的方向邁進(jìn) 以達(dá)到高速 優(yōu)質(zhì) 高效率 地生產(chǎn) 在大多數(shù)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中 自動(dòng)化的電力拖動(dòng)系統(tǒng)仍然是不可缺少的組成 部分 另外 低成本自動(dòng)化技術(shù)與設(shè)備的開(kāi)發(fā) 越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外的注意 特別對(duì)于 小型企業(yè) 應(yīng)用適用技術(shù)的設(shè)備 不僅有益于獲得經(jīng)濟(jì)效益 而且能提高生產(chǎn)率 可 靠性與柔性 還有易于應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn) 自動(dòng)化的電力拖動(dòng)系統(tǒng)更是低成本自動(dòng)化系統(tǒng)的 重要組成部分 在如今的現(xiàn)實(shí)生活中 自動(dòng)化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展 其 中自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用則起著尤為重要的作用 雖然直流電機(jī)不如交流電機(jī)那樣結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 制造方便 容易維護(hù) 但是它具有良好的起 制動(dòng)性能 宜于在廣 泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速 所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中的主要形式 現(xiàn)在 電動(dòng)機(jī)的控制從簡(jiǎn)單走向復(fù)雜 并逐漸成熟成為主流 其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛 例如 軍事和宇航方面的雷達(dá)天線 火炮瞄準(zhǔn) 慣性導(dǎo)航等的控制 工業(yè)方面的數(shù)控機(jī)床 工業(yè)機(jī)器人 印刷機(jī)械等設(shè)備的控制 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的打印機(jī) 傳真 機(jī) 復(fù)印機(jī) 掃描儀等的控制 音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī) 數(shù)碼相機(jī) 洗衣機(jī) 空調(diào)等的控制 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 開(kāi)關(guān)速度更快 控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和IGBT成為主流 脈寬調(diào)制技術(shù)表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性 主電路線路簡(jiǎn)單 需要用的功 率元件少 開(kāi)關(guān)頻率高 電流容易連續(xù) 諧波少 電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小 低速性能 好 穩(wěn)速精度高 因而調(diào)速范圍寬 系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好 動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng) 主電路 元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 導(dǎo)通損耗小 裝置效率較高 近年來(lái) 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展速 度飛快 以計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的信息技術(shù)作為一嶄新的生產(chǎn)力 正向社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域滲透 直流調(diào)速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為趨勢(shì) 1 21 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 電力電子技術(shù) 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展影響極大 它們是 密切相關(guān) 相互促進(jìn)的 近 30 年來(lái) 電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展 帶動(dòng)和改變著電機(jī) 控制的面貌和應(yīng)用 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制方案有三種 工作在通斷兩個(gè)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)控制 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 2 相位控制和脈寬調(diào)制控制 在單向通用電動(dòng)機(jī)的電子驅(qū)動(dòng)電路中 主要的器件是晶閘 管 后來(lái)是用相位控制的雙向可控硅 在這以后 這種半控型功率器件一直主宰著電 機(jī)控制市場(chǎng) 到 70 和 80 年代才先后出現(xiàn)了全控型功率器件 GTO 晶閘管 GTR POWER MOSFET IGBT 和 MCT 等 利用這種有自關(guān)斷能力的器件 取消了原來(lái)普 通晶閘管系統(tǒng)所必需的換相電路 簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu) 提高了效率 提高了工作頻率 降低了噪聲 也縮小了電力電子裝置的體積和重量 后來(lái) 諧波成分大 功率因數(shù)差 的相控變流器逐步由斬波器或 PWM 變流器所代替 明顯地?cái)U(kuò)大了電機(jī)控制的調(diào)運(yùn)范圍 提高了調(diào)速精度 改善了快速性 效率和功率因數(shù) 直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制 Pulse Width Modulation 簡(jiǎn)稱 PWM 調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生于 70 年代 中期 最早用于不可逆 小功率驅(qū)動(dòng) 例如自動(dòng)跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡 自動(dòng)記錄儀表等 近十多年來(lái) 由于晶體管器件水平的提高及電路 技術(shù)的發(fā)展 同時(shí)又因出現(xiàn)了寬 調(diào)速永磁直流電機(jī) 它們之間的結(jié)合促使 PWM 技術(shù)的高速發(fā)展 并使電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)推 進(jìn)到一個(gè)新的高度 在國(guó)外 PWM 最早是在軍事工業(yè)以及空間技術(shù)中應(yīng)用 它以優(yōu)越的性能 滿足那 些高速度 高精度隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的需求 近八 九年來(lái) 進(jìn)一步擴(kuò)散到民用工業(yè) 特 別是在機(jī)床行業(yè) 自動(dòng)生產(chǎn)線及機(jī)器人等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用 如今 電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)更為明顯 促進(jìn)電機(jī) 控制技術(shù)以更快的速度發(fā)展著 隨著市場(chǎng)的發(fā)展 客戶對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制要求越來(lái)越高 希望它的功能更強(qiáng) 噪聲更低 控制算法更復(fù)雜 而可靠性和系統(tǒng)安全操作也擺上了 議事日程 同時(shí)還要求馬達(dá)恒速向變速發(fā)展 還要符合全球環(huán)保法規(guī)所要求的嚴(yán)格環(huán) 境標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)入 21 世紀(jì)后 可以預(yù)期新的更高性能電力電子器件還會(huì)出現(xiàn) 已有的各 代電力電子元件還會(huì)不斷地改進(jìn)提高 1 31 3 本文的主要工作本文的主要工作 本文設(shè)計(jì)的直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)采用的是調(diào)壓調(diào)速 系統(tǒng)主電路采用大功率 GTR 為 開(kāi)關(guān)器件 H 橋單極式電路為功率放大電路的結(jié)構(gòu) PWM 調(diào)制部分是在單片機(jī)開(kāi)發(fā)平 臺(tái)之上 運(yùn)用匯編語(yǔ)言編程控制 由定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形波 通過(guò)調(diào)節(jié)波形 的寬度來(lái)控制 H 電路中的 GTR 通斷時(shí)間 以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的 增加了系統(tǒng)的 靈活性和精確性 使整個(gè) PWM 脈沖的產(chǎn)生過(guò)程得到了大大的簡(jiǎn)化 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心 以鍵盤(pán)作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停 速 精品文檔 3歡迎下載 度和方向 完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求 在設(shè)計(jì)中 采用了 PWM 技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn) 行控制 通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的 本文介紹了直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型 脈寬調(diào)制 PWM 控制原理和 H 橋 電路基本原理設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路的總體結(jié)構(gòu) 根據(jù)模型 利用 PROTEUS 軟件對(duì)各個(gè)子電 路及整體電路進(jìn)行了仿真 確保設(shè)計(jì)的電路能夠滿足性能指標(biāo)要求 并給出了仿真結(jié) 果 第第 2 2 章章 直流調(diào)速系統(tǒng)概述直流調(diào)速系統(tǒng)概述 調(diào)速方法通常有機(jī)械的 電氣的 液壓的 氣動(dòng)的幾種 僅就機(jī)械與電氣調(diào)速方 法而言 也可采用電氣與機(jī)械配合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié) 電氣調(diào)速有許多優(yōu)點(diǎn) 如可簡(jiǎn)化機(jī)械變速機(jī)構(gòu) 提高傳動(dòng)效率 操作簡(jiǎn)單 易于獲得無(wú)極調(diào)速 便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 距離控制和自動(dòng)控制 因此在生產(chǎn)機(jī)械中廣泛采用電氣方法調(diào)速 由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)動(dòng)性能和控制特性 盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié) 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 4 構(gòu)簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 制造方便 維護(hù)容易 但是長(zhǎng)期以來(lái) 直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù) 壟斷地位 所以 直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形 式 在我國(guó)許多工業(yè) 部門(mén) 如軋鋼 礦山采掘 海洋鉆探 金屬加工 紡織 造紙以及高層建筑等需要高 性能可控電力拖動(dòng)的場(chǎng)合 仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng) 而且 直流調(diào)速系統(tǒng)在理論 上和實(shí)踐上都比較成熟 從控制技術(shù)的角度來(lái)看 它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ) 因此 我們先著重討論直流調(diào)速系統(tǒng) 2 12 1 直流電機(jī)的工作原理直流電機(jī)的工作原理 直流電動(dòng)機(jī) 多年來(lái)一直用作基本的換能器 絕大多數(shù)的直流電動(dòng)機(jī)都是由電磁 力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的 圖 2 1 為直流電機(jī)的物理模型 圖 其中 固定部分 定子 由磁鐵 稱為主磁極 和電刷組成 轉(zhuǎn)動(dòng)部分 轉(zhuǎn)子 由環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組組成 定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙 在電樞鐵心上 放置了由 A 和 B 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈 線圈的首端和末端分別連到兩個(gè)圓弧形的 銅片上 此銅片稱為換向片 換向片之間互相絕緣 由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器 換向器固定在轉(zhuǎn)軸上 換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣 在換向片上放置著一對(duì)固定不 動(dòng)的電刷 B1 和 B2 當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí) 電樞線圈通過(guò)換向器和電刷與外電路接通 圖 2 1 直流電機(jī)的物理模型圖 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖 2 2 所示 給兩個(gè)電刷加上直流電源 如圖 2 2 a 所 示 有直流電流從電刷 A 流入 經(jīng)過(guò)線圈 abcd 從電刷 B 流出 根據(jù)電磁力定律 載 流導(dǎo)體 ab 和 cd 收到電磁力的作用 其方向可由左手定則判定 兩段導(dǎo)體受到的力形 成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩 使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 2 2 b 所示的位置 電刷 A 和 換向片 2 接觸 電刷 B 和換向片 1 接觸 直流電流從電刷 A 流入 在線圈中的流動(dòng)方 向是 dcba 從電刷 B 流出 此時(shí)載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左 手定則判定 它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng) 由于換向器 配合電刷對(duì)電流的換向作用 直流電流交替地由線圈邊 ab 和 cd 流入 使線圈邊只要 精品文檔 5歡迎下載 處于 N 極下 其中通過(guò)電流的方向總是由電刷 A 流入的方向 而在 S 極下時(shí) 總是從 電刷 B 流出的方向 這就保證了每個(gè)磁極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向 這樣的 結(jié)構(gòu) 就可使電動(dòng)機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn) 圖 2 2 直流電機(jī)原理圖 2 22 2 直流電機(jī)的調(diào)速方法直流電機(jī)的調(diào)速方法 根據(jù)直流電機(jī)的基本原理 由感應(yīng)電勢(shì) 電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性方程式可知 直 流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種 1 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓 從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速 屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào) 速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō) 這種方法最好 變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小 能快速響應(yīng) 但是需要 大容量可調(diào)直流電源 2 改變電動(dòng)機(jī)主磁通 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速 但只能減弱磁通 進(jìn)行調(diào)速 簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速 從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速 屬恒功率調(diào)速方法 變化 時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多 響應(yīng)速度較慢 但所需電源容量 小 3 改變電樞回路電阻 在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法 設(shè)備 簡(jiǎn)單 操作方便 但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速 調(diào)速平滑性差 機(jī)械特性較軟 空載時(shí)幾 乎沒(méi)什么調(diào)速作用 還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能 改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多 目前很少采用 僅在有些起重機(jī) 卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車(chē)等調(diào)速 性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用 弱磁調(diào)速范圍不大 往往是和 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 6 調(diào)壓調(diào)速配合使用 在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速 因此 自動(dòng)控制的直流調(diào)速系 統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主 必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來(lái)使用 調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì)磁磁通 都需要有專門(mén)的可控直流電源 常用的可 控直流電源有以下三種 1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組 以獲得可調(diào)的直流電 壓 2 靜止可控整流器 簡(jiǎn)稱 V M 系統(tǒng) 用靜止的可控整流器 如汞弧整流器和晶 閘管整流裝置 產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓 3 直流斬波器 脈寬調(diào)制變換器 用恒定直流電源或不可控整流電源供電 利 用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流 由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直 流電動(dòng)機(jī)供電 調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓 從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變 所以 G M 系統(tǒng)的 可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的 該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容 量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī) 還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī) 設(shè)備多 體積大 費(fèi)用高 效率低 維護(hù) 不方便等缺點(diǎn) 且技術(shù)落后 因此擱置不用 V M 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式 它可以是單相 三相或更多相數(shù) 半 波 全波 半控 全控等類型 可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速 V M 系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)?電性 它不允許電流反向 給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難 它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件 要求高 維護(hù)運(yùn)行麻煩 最后 當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí) 系統(tǒng)的功率因數(shù)很低 并產(chǎn) 生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備 圖 2 3 晶閘管 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 V M 系統(tǒng) 直流斬波器又稱直流調(diào)壓器 是利用開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)通斷控制 將直流電源電壓 斷續(xù)加到負(fù)載上 通過(guò)通 斷時(shí)間的變化來(lái)改變負(fù)載上的直流電壓平均值 將固定電 壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源 亦稱直流 直流變換器 它具有效率高 體積小 重量輕 成本低等優(yōu)點(diǎn) 現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵 電力機(jī)車(chē) 城市無(wú)軌電車(chē)以及 精品文檔 7歡迎下載 電瓶搬運(yùn)車(chē)等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中 圖 2 4 為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型 圖中 VT 代表開(kāi)關(guān)器件 當(dāng)開(kāi) 關(guān) VT 接通時(shí) 電源電壓 U 加到電動(dòng)機(jī)上 當(dāng) VT 斷開(kāi)時(shí) 直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi) 電動(dòng)機(jī)電樞端電壓為零 如此反復(fù) 得電樞端電壓波形如圖 2 4 b 所示 圖 2 4 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 a 原理圖 b 電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是 在這里晶閘管不受相位 控制 而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí) 電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上 當(dāng)晶 閘管關(guān)斷時(shí) 直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi) 電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流 兩端電壓接近于零 脈 沖寬度調(diào)制 Pulse Width Modulation 簡(jiǎn)稱 PWM 脈沖周期不變 只改變晶閘管的 導(dǎo)通時(shí)間 即通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速 與 V M 系統(tǒng)相比 PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn) 1 由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高 僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得 脈動(dòng)很小的直流電流 電樞電流容易連續(xù) 系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn) 調(diào)速范圍較寬 可 達(dá) 1 10000 左右 由于電流波形比 V M 系統(tǒng)好 在相同的平均電流下 電動(dòng)機(jī)的損 耗和發(fā)熱都比較小 2 同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高 若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合 系統(tǒng)可以獲得很寬的 頻帶 因此快速響應(yīng)性能好 動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng) 3 由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 主電路損耗較小 裝置效率較高 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器 簡(jiǎn)稱 PWM 變換器 脈寬調(diào)速也可 通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn) 但是驅(qū)動(dòng)能力有限 目前 受到器件容量的限 制 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中 小功率的系統(tǒng) 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 8 2 32 3 H H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)的概述橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)的概述 采用 PWM 進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速 其實(shí)就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的使用端 因 此有必要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行介紹 圖 2 5 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 上圖所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路 電路得名于 H 橋式驅(qū)動(dòng)電路 是因 為它的形狀酷似字母 H 4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿 而電機(jī)就是 H 中的橫杠 上圖及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖 而不是完整的電路圖 電路中 H 橋式電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路包括 4 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī) 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管 根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況 電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī) 從而控制 電機(jī)的轉(zhuǎn)向 圖 2 6 H 橋式驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 如上圖所示 當(dāng) Q1 管和 Q4 管導(dǎo)通時(shí) 電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過(guò)電 機(jī) 然后再經(jīng) Q4 回到電源負(fù)極 按圖中電流箭頭所示 該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 當(dāng)三極管 Q1 和 Q4 導(dǎo)通時(shí) 電流將從左至右流過(guò)電機(jī) 從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特 定方向轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī)周?chē)募^指示為順時(shí)針?lè)较?當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通時(shí) 電流 將從右至左流過(guò)電機(jī) 從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī)周?chē)募^表示為逆時(shí)針 方向 精品文檔 9歡迎下載 圖 2 7 H 橋式驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí) 保證 H 橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要 如果三極管 Q1 和 Q2 同時(shí)導(dǎo)通 那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極 此時(shí) 電路 中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載 因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值 該電流僅 受電源性能限制 甚至燒壞三極管 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 10 第第 3 3 章章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在圖 2 3 所示的 V M 系統(tǒng)中和圖 2 4 所示的 PWM 系統(tǒng)中 只通過(guò)改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng) 電路的控制電壓來(lái)改變功率變換電路的輸出平均電壓 達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的 它們都屬于開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng) 稱為開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 在開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中 控制電壓 與輸出轉(zhuǎn)速之間只有順向作用而無(wú)反向聯(lián)系 即控制是單方向進(jìn)行的 輸出轉(zhuǎn)速并不 影響控制電壓 控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生 如果生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率要求不高 開(kāi) 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速 而且開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 3 13 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 1 1 電機(jī)調(diào)速控制模塊電機(jī)調(diào)速控制模塊 方案一 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓 從而達(dá)到調(diào)速的目的 但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速 而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴 更主要的問(wèn)題 在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小 但電流很大 分壓不僅會(huì)降低效率 而且實(shí)現(xiàn)很困難 方案二 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制 通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度 進(jìn)行調(diào)整 這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢 機(jī)械結(jié)構(gòu) 易損壞 壽命較短 可靠性不高 方案三 采用由三極管組成的 H 型 PWM 電路 用單片機(jī)控制三極管使之工作在占 空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài) 精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 這種電路由于工作在管子的飽和截止模 式下 效率非常高 H 型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制 電子開(kāi)關(guān)的 速度很快 穩(wěn)定性也極佳 是一種廣泛采用的 PWM 調(diào)速技術(shù) 兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良 調(diào)整平滑 調(diào)速范圍廣 過(guò)載能力大 因此本設(shè)計(jì)采 用方案三 2 2 PWMPWM 調(diào)速工作方式調(diào)速工作方式 方案一 雙極性工作制 雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi) 單片機(jī)兩控制口各 輸出一個(gè)控制信號(hào) 兩信號(hào)高低電平相反 兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和 轉(zhuǎn)速 精品文檔 11歡迎下載 方案二 單極性工作制 單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平 另一端輸 出 PWM 信號(hào) 兩口的輸出切換和對(duì) PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速 由于單極性工作制電壓波開(kāi)中的交流成分比雙極性工作制的小 其電流的最大波 動(dòng)也比雙極性工作制的小 所以我們采用了單極性工作制 3 3 PWMPWM 調(diào)脈寬方式調(diào)脈寬方式 調(diào)脈寬的方式有三種 定頻調(diào)寬 定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻 我們采用了定頻調(diào)寬方 式 因?yàn)椴捎眠@種方式 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定 并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖 的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便 4 4 PWMPWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式軟件實(shí)現(xiàn)方式 方案一 采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式 這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精 確 誤差只在幾個(gè) us 方案二 采用軟件延時(shí)方式 這一方式在精度上不及方案一 特別是在引入中斷 后 將有一定的誤差 故采用方案一 3 23 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì)框圖如下圖所示 硬件電路結(jié)構(gòu)初步設(shè)想由以下 6 部分組成 時(shí)鐘 電路 復(fù)位電路 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路部分采用了以 GTR 為可控開(kāi)關(guān)元件 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu) 控制部分采用匯編語(yǔ)言編程控制 AT89C51 芯片的定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 脈沖波形 通過(guò)調(diào)節(jié)波形的寬度來(lái)控制 H 電路中的 GTR 通斷時(shí)間 便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制 根據(jù)硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖 對(duì)各部分模塊的原理進(jìn)行分析 編寫(xiě)個(gè)子模塊程序 最終將其組合 復(fù)位電路 單片機(jī) 時(shí)鐘電路 輸入電路 驅(qū) 動(dòng) 電 路 圖 3 1 硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 12 3 33 3 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì) 3 3 13 3 1 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn) 有條不紊地一拍一拍地工 作 因此時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度 時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的 穩(wěn)定性 電路中的電容 C1 和 C2 典型值通常選擇為 30pF 左右 對(duì)外接電容的值雖然 沒(méi)有嚴(yán)格的要求 但電容的大小會(huì)影響振蕩器的頻率高低 振蕩器的穩(wěn)定性和起振的 快速性 晶振的頻率越高則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也越高 單片機(jī)的運(yùn)行速度也越快 XTAL1 XTAL2 圖 3 2 時(shí)鐘電路 本設(shè)計(jì)采用頻率為 12MHZ 微調(diào)電容 C1 和 C2 為 30pF 的內(nèi)部時(shí)鐘方式 電容為瓷 片電容 判斷單片機(jī)芯片及時(shí)鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法 就是用萬(wàn)用表 測(cè)量單片機(jī)晶振引腳 18 19 腳 的對(duì)地電壓 以正常工作的單片機(jī)用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè) 量為例 18 腳對(duì)地電壓約為 2 24V 19 腳對(duì)地電壓約為 2 09V 3 3 23 3 2 復(fù)位電路復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作 其主要作用是把 PC 初始化為 0000H 使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序 除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外 當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或 操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí) 為擺脫困境 也需要按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng) 精品文檔 13歡迎下載 RESET RESET 圖 3 3 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路在剛接通電時(shí) 剛開(kāi)始電容是沒(méi)有電的 電容內(nèi)的電阻很低 通電后 5V 的電通過(guò)電阻給電解電容進(jìn)行充電 電容兩端的電會(huì)由 0V 慢慢的升到 4V 左右 此時(shí)間很短一般小于 0 3 秒 正因?yàn)檫@樣 復(fù)位腳的電由低電位升到高電位 引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作 這是單片機(jī)的上電復(fù)位 也叫初始化復(fù)位 當(dāng)按下復(fù)位 鍵時(shí) 電容兩端放電 電容又回到 0V 了 于是又進(jìn)行了一次復(fù)位工作 這是手動(dòng)復(fù) 位原理 該電路采用按鍵手動(dòng)復(fù)位 按鍵手動(dòng)復(fù)位為電平方式 對(duì)于懷疑是復(fù)位電路故障 而不能正常工作的單片機(jī)也可以采用模擬復(fù)位的方法來(lái)判斷 單片機(jī)正常工作時(shí)第 9 腳對(duì)地電壓為零 可以用導(dǎo)線短時(shí)間和 5V 連接一下 模擬一下上電復(fù)位 如果單片 機(jī)能正常工作了 說(shuō)明這個(gè)復(fù)位電路有問(wèn)題 其中電平復(fù)位是通過(guò) RET 端經(jīng)電阻與電 源 VCC 接通而實(shí)現(xiàn)的 當(dāng)時(shí)鐘頻率適用于 12MHZ 時(shí) C 取 100uF R 取 10K 為保證可 靠復(fù)位 在初識(shí)化程序中應(yīng)安排一定的延遲時(shí)間 3 3 33 3 3 穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源電路 電池放電時(shí)內(nèi)阻穩(wěn)定的增大 電壓則穩(wěn)定的減小 而且接上大功率的負(fù)載時(shí)電 壓會(huì)瞬時(shí)降低 不能用于提供固定的電壓 對(duì)于各種 IC 芯片需要的穩(wěn)定電壓 需 要專門(mén)的穩(wěn)壓器件 或者穩(wěn)壓電路 基本的穩(wěn)壓器有兩種 線性 LDO 和開(kāi)關(guān) DCDC 其中前者只能降壓使用 而前者還可以升壓使用而且效率很高 控制芯片 89C51 的標(biāo)準(zhǔn)供電電壓是 5V 可以選擇使用線性電壓調(diào)整芯片穩(wěn)壓 如 7805 最大輸出電流 1 5A 內(nèi)部過(guò)熱保護(hù) 內(nèi)部短路電流限制 典型輸入電壓 7 20V 輸出電壓 4 9 5 1V 靜態(tài)電流典型值 4 2mA 壓差 輸出與輸入的差 至 少 2V 78L05 電流較小 最大輸出電流 100mA 內(nèi)部過(guò)熱保護(hù) 典型輸入電壓 7 20V 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 14 輸出電壓 4 75 5 25V 靜態(tài)電流典型值 3mA LM317 電壓可調(diào) 輸出電流可達(dá) 1 5A 輸出電壓 1 2V 37V 內(nèi)部過(guò)熱保護(hù)等 選用 7805 一方面簡(jiǎn)單 另一方面比較常用且比較便宜 LM78 系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路 我國(guó)和世界 各大集成電路生產(chǎn)商均有同類產(chǎn)品可供選用 是使用極為廣泛的一類串聯(lián)集成穩(wěn)壓器 內(nèi)置過(guò)熱保護(hù)電路 無(wú)需外部器件 輸出晶體管安全范圍保護(hù) 內(nèi)置短路電流限制電 路 對(duì)于濾波電容的選擇 需要注意整流管的壓降 穩(wěn)壓電源由電源變壓器 整流電路 濾波電路和穩(wěn)壓電路組成 a 整流和濾波電路 整流作用是將交流電壓變換成脈動(dòng)電壓 濾波電路一般由 電容組成 其作用是脈動(dòng)電壓中的大部分紋波加以濾除 以得到較平滑的直流電壓 b 穩(wěn)壓電路 由于得到的輸出電壓受負(fù)載 輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定 為 了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路 從而得到穩(wěn)定的電壓 VI 1 VO 3 GND 2 U1 7805 BR1 2W005G C4 330uf C1 0 1uf C2 1uf AC1 TR1 TRANSFORMER VCC C3 330uf D1 1N4007 R1 70 VCC V 5 00442 圖 3 4 穩(wěn)壓電源電路 三端集成穩(wěn)壓器 LM7805 正常工作時(shí) 輸入 輸出電壓差 2 3V C1 為輸入穩(wěn)定 電容 其作用是減小紋波 消振 抑制高頻和脈沖干擾 C1 一般為 0 1 0 47 f C2 為輸出穩(wěn)定電容 其作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng) C2 一般為 1 F 使用三端穩(wěn)壓器 時(shí)注意一定要加散熱器 否則是不能工作到額定電流 二極管 IN4007 用來(lái)卸掉 C2 上 的儲(chǔ)存電能 防止反向擊穿 LM7805 查相關(guān)資料該芯片的最大承受電流為 0 1A 因 此輸入端必須界限流電阻 R1 R1 12 0 9 5 0 1 58 取近似值 選用 70 的電 阻 1 1 此電源的缺點(diǎn)此電源的缺點(diǎn) 1 1 此電源是線性穩(wěn)壓電路 所有有其特有的內(nèi)部功率損耗大 全部壓降均轉(zhuǎn)換 為熱量損失了 效率低 所以散熱問(wèn)題要特別注意 1 2 由于核心的元件 7805 的工作速度不太高 所以對(duì)于輸入電壓或者負(fù)載電流 的急劇變化的響應(yīng)慢 2 2 電源的優(yōu)點(diǎn)電源的優(yōu)點(diǎn) 精品文檔 15歡迎下載 2 1 電路簡(jiǎn)單 穩(wěn)定 調(diào)試方便 幾乎不用調(diào)試 2 2 價(jià)格便宜 適合于對(duì)成本要求苛刻的產(chǎn)品 2 3 電路中幾乎沒(méi)有產(chǎn)生高頻或者低頻輻射信號(hào)的元件 工作頻率低 易于控制 3 3 43 3 4 信號(hào)輸入電路信號(hào)輸入電路 獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立 每個(gè)按鍵各接入一根輸入線 一根輸入線上的 按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài) 因此 通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài) 可以很容易判斷哪個(gè)按鍵按下了 獨(dú)立式按鍵電路配置靈活 軟件簡(jiǎn)單 但每個(gè)按鍵 需要占用一個(gè)輸入口線 在按鍵數(shù)量較多時(shí) 需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜 故此種鍵盤(pán)適用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合 消除鍵抖動(dòng) 一般按鍵在按下的時(shí)候有抖動(dòng)的問(wèn)題 即鍵的簧片在按下時(shí)會(huì)有輕 微的彈跳 需經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的時(shí)間才會(huì)可靠地接觸 若在簧片抖動(dòng)時(shí)進(jìn)行掃描就可能 得出不正確的結(jié)果 因此 在程序中要考慮防抖動(dòng)的問(wèn)題 最簡(jiǎn)單的辦法是在檢測(cè)到 有鍵按下時(shí) 等待 延遲 一段時(shí)間再進(jìn)行 行掃描 延遲時(shí)間為 10 20ms 這可 通過(guò)調(diào)用子程序來(lái)解決 當(dāng)系統(tǒng)中有顯示子程序時(shí) 調(diào)用幾次顯示子程序也能同時(shí)達(dá) 到消除抖動(dòng)的目的 k1 k2 k3 k4 K1 K2 K3 K4 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 啟停 加速 減速 方向 圖 3 5 控制輸入電路 本文采用查詢工作方式 即直接在主程序中插入鍵盤(pán)檢測(cè)子程序 主程序每執(zhí)行 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 16 一次則鍵盤(pán)檢測(cè)子程序被執(zhí)行一次 對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)一次 如果把沒(méi)有鍵按下 則跳 過(guò)鍵識(shí)別 直接執(zhí)行主程序 如果有鍵按下 則通過(guò)鍵盤(pán)掃描子程序識(shí)別按鍵 得到 按鍵的編碼值 然后根據(jù)編碼值進(jìn)行相應(yīng)的處理 處理完后再回到主程序執(zhí)行 3 3 43 3 4 電機(jī)電機(jī) PWMPWM 驅(qū)動(dòng)模塊的電路驅(qū)動(dòng)模塊的電路 P2 6 P2 7 1 0 圖 3 6 電機(jī) PWM 驅(qū)動(dòng)模塊的電路 本電路采用的是以大功率 GTR 為開(kāi)關(guān)元件 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電 路結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示 圖中 四只 GTR 分為兩組 和為一組 和為另 1 VT 4 VT 2 VT 3 VT 一組 同一組中的兩只 GTR 同時(shí)導(dǎo)通 同時(shí)關(guān)斷 且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo) 通和關(guān)斷 GTR 是一種雙極性大功率高反壓晶體管 它大多用作功率開(kāi)關(guān)使用 而且 GTR 是 一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件 這一特性可以使各類變流電路的控制 更加方便和靈活 線路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化 在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面 我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制 脈沖頻率 對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影響 脈沖頻率高連續(xù)性好 但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之 經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 脈沖頻率在 40Hz 以上 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn) 但加負(fù)載后 速度下降明顯 低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn) 脈沖頻率在 10Hz 以下 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn)證明 脈沖頻率在 15Hz 30Hz 時(shí)效果最佳 而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范 圍內(nèi)調(diào)節(jié) 通過(guò) P2 6 輸入信號(hào) P2 7 輸入低電平與 P2 6 輸入低電平 P2 7 輸入信 號(hào)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)功能 通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)車(chē)速進(jìn)行調(diào)節(jié) 精品文檔 17歡迎下載 速度微調(diào)方面 可以通過(guò)對(duì)占空比跨度逐增或逐減分別實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的逐加或逐減 利用孤立元件搭建的 H 橋電路一個(gè)缺點(diǎn)就是擊穿 即 Q1 和 Q2 同時(shí)導(dǎo)通 或者 Q3 和 Q4 同時(shí)導(dǎo)通 選擇使用芯片可減少這一狀況 常用的電機(jī) H 橋驅(qū)動(dòng)芯片有 TA7291S NJU7382 L297 L298 第第 4 4 章章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 4 14 1 單片機(jī)選擇單片機(jī)選擇 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái) 單片機(jī)的發(fā)展非常迅速 就通用單片機(jī)而言 世界上一些 著名的計(jì)算機(jī)廠家已投放市場(chǎng)的產(chǎn)品就有 50 多個(gè)系列 數(shù)百個(gè)品種 目前世界上較 為著名的 8 位單片機(jī)的生產(chǎn)廠家和主要機(jī)型如下 美國(guó) Intel 公司 MCS 51 系列及其增強(qiáng)型系列 美國(guó) Motorola 公司 6801 系列和 6805 系列 美國(guó) Atmel 公司 89C51 等單片機(jī) 美國(guó) Zilog 公司 Z8 系列及 SUPER8 美國(guó) Fairchild 公司 F8 系列和 3870 系列 美國(guó) Rockwell 公司 6500 1 系列 美國(guó) TI 德克薩司儀器儀表 公司 TMS7000 系列 NS 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 公司 NS8070 系列 等等 盡管單片機(jī)的品種很多 但是在我國(guó)使用最多的還是 Intel 公司的 MCS 51 系列 單片機(jī)和美國(guó) Atmel 公司的 89C51 單片機(jī) MCS 51 系列單片機(jī)包括三個(gè)基本型 8031 8051 8751 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 18 8031 內(nèi)部包括一個(gè) 8 位 CPU 128 個(gè)字節(jié) RAM 21 個(gè)特殊功能寄存器 SFR 4 個(gè) 8 位并行 I O 口 1 個(gè)全雙工串行口 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 但片內(nèi)無(wú)程序存 儲(chǔ)器 需外擴(kuò) EPROM 芯片 比較麻煩 不予采用 8051 是在 8031 的基礎(chǔ)上 片內(nèi)集成有 4K ROM 作為程序存儲(chǔ)器 是一個(gè)程序不 超過(guò) 4K 字節(jié)的小系統(tǒng) ROM 內(nèi)的程序是公司制作芯片時(shí) 代為用戶燒制的 出廠的 8051 都是含有特殊用途的單片機(jī) 所以 8051 適合與應(yīng)用在程序已定 且批量大的單 片機(jī)產(chǎn)品中 也不予采用 8751 是在 8031 基礎(chǔ)上 增加了 4K 字節(jié)的 EPROM 它構(gòu)成了一個(gè)程序小于 4KB 的 小系統(tǒng) 用戶可以將程序固化在 EPROM 中 可以反復(fù)修改程序 但其價(jià)格相對(duì) 8031 較貴 8031 外擴(kuò)一片 4KB EPROM 的就相當(dāng)與 8751 它的最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低 隨著大 規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展 能裝入片內(nèi)的外圍接口電路也可以是大規(guī)模的 也不 予采用 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓 高性能 CMOS 8 位單片機(jī) 片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器 PEROM 和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ROM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn) 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS 51 指令系統(tǒng) 片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 CPU 和 Flash 存儲(chǔ)單元 功能強(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 此設(shè)計(jì)就采用 AT89C51 4 24 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 在進(jìn)行單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外 大量的工作就是如何根據(jù) 每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序 因此 軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地 位 鍵盤(pán)向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令 由單片機(jī)通過(guò) P2 6 與 P2 7 其中一口輸出與轉(zhuǎn) 速相應(yīng)的 PWM 脈沖 另一口輸出高電平 驅(qū)動(dòng) H 型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制 電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)表示 速度分 10 檔 快慢與電 動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)快慢一一對(duì)應(yīng) 精品文檔 19歡迎下載 在程序中通過(guò)軟件產(chǎn)生 PWM 送出預(yù)設(shè)占空比的 PWM 波形 PWM 脈沖寬度調(diào)制 是一系列周期固定 占空比可調(diào)的脈沖系列 由于每個(gè)脈沖的高電平時(shí)間和低電平時(shí) 間之和必須等于周期數(shù) 所以輸出電平的維持時(shí)間必須由定時(shí)器來(lái)控制 設(shè) PWM 周期 為 T 高電平時(shí)間為 TH 低電平時(shí)間為 TL 電壓為 VCC 則輸出電壓的平均值為 UAV VCC TH TH TL VCC TH T aVCC 當(dāng) VCC 固定時(shí) 其電壓值取決于 PWM 波形 的占空比 a 而 PWM 的占空比由單片機(jī)軟件內(nèi)部用于控制 PWM 輸出的寄存器值決定 通過(guò)對(duì)單片機(jī)定時(shí)器初始值的不同設(shè)置 來(lái)實(shí)現(xiàn)占空比 PWM 輸出控制 用定時(shí)器 T0 完成 PWM 輸出 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖頻率為 16 6HZ 周期 60MS 定時(shí)器計(jì)數(shù)初值為 8AD0H 計(jì)數(shù)初值 X 計(jì)算方法 65536 X 30000 轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制 X 35536 8AD0H 軟件主要由 3 部分組成 主程序 鍵盤(pán)掃描程序 中斷處理程序 主程序流程如 圖 4 1 所示 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 20 開(kāi)始 初始化 啟停鍵按下 開(kāi)定時(shí)中斷 關(guān)外中斷 軟件延時(shí) 去抖動(dòng) 開(kāi)外中斷 啟動(dòng)定時(shí) 等待中斷 啟停鍵按下 Y N Y N 圖 4 1 主程序流程圖 初始化后 除義初始數(shù)據(jù)外 將定時(shí)器 T0 設(shè)為工作方式 1 F0 作為電機(jī)轉(zhuǎn)向的 標(biāo)志位 CT0 CT1 作為速度檔位的標(biāo)志 應(yīng)用于后來(lái)的加速減速控制 HDIAN0 與 LDIAN0 作為高電平延遲時(shí)間存儲(chǔ)單元 HDIAN1 與 LDIAN1 作為低電平延遲時(shí)間存儲(chǔ)單 元 定時(shí)中斷處理程序定時(shí)中斷處理程序 采用定時(shí)方式 1 因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用 12M 晶振 可產(chǎn)生最高約為 65 5ms 的延時(shí) 對(duì) 定時(shí)器置初值 8AD0H 可定時(shí) 60ms 當(dāng) 60ms 定時(shí)時(shí)間到 定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中 斷處理程序 完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值 PWMPWM 脈寬控制脈寬控制 精品文檔 21歡迎下載 一個(gè)脈沖周期可以由高電平持續(xù)時(shí)間系數(shù) DIAN0 和低電平持續(xù)時(shí)間系數(shù) DIAN1 組 成 本設(shè)計(jì)中采用的脈沖頻率為 16 6Hz 可得 DIAN0 DIAN1 65536 占空比為 DIAN0 DIAN0 DIAN1 因此要實(shí)現(xiàn)定頻調(diào)寬的調(diào)速方式 只需通過(guò)程序改變?nèi)?變量 DIAN0 DIAN1 的值 該子程序流程圖如圖 4 2 中斷響應(yīng) 定時(shí)中斷請(qǐng)求 關(guān)外中斷 WAY 0 P2 6置1 P2 7 1 存定時(shí) DIAN0 P2 7置1 開(kāi)外中斷 中斷返回 P2 7置1 P2 6 1 存定時(shí) DIAN1 P2 6置0 存定時(shí) DIAN1 P2 7置0 存定時(shí) DIAN0 P2 6置1 Y N YYNN 圖 4 2 PWM 脈寬控制流程圖 鍵盤(pán)中斷處理子程序鍵盤(pán)中斷處理子程序 采用中斷方式 按下鍵 單片機(jī) P3 2 腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿 響應(yīng)該中斷處理程序 完成延時(shí)去抖動(dòng) 鍵碼識(shí)別 按鍵功能執(zhí)行 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 22 外中斷響應(yīng) 中斷請(qǐng)求 關(guān)外中斷 K4 1 K1 1 開(kāi)外中斷 中斷返回 K4 1 改變way Y N Y Y N K2 1 Y K3 1 Y 軟件延時(shí) 去抖動(dòng) K1 1 N 軟件延時(shí) 去抖動(dòng) N K2 0 加速 子程序 N 軟件延時(shí) 去抖動(dòng) K3 1 減速 子程序 軟件延時(shí) 去抖動(dòng)F0 0 F0 1 啟動(dòng)定時(shí) 電機(jī)啟動(dòng) F0 0 關(guān)閉定時(shí) 電機(jī)停止 Y N Y N Y N N Y 圖 4 3 鍵盤(pán)中斷處理流程圖 調(diào)速檔 持續(xù)加調(diào)速檔 持續(xù)加 減速減速 調(diào)速檔通過(guò) 0 10 共 11 檔固定占空比 即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變 DIAN0 DIAN1 的 值 以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn) 軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 精品文檔 23歡迎下載 對(duì)于電機(jī)的啟停 在 PWM 控制上使用漸變的脈寬調(diào)整 即開(kāi)啟后由停止勻加速到 默認(rèn)速度 停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零 這樣有利于保護(hù)電機(jī) 如電機(jī)運(yùn)用于小 車(chē)上 在啟動(dòng)上采用此方式也可加大啟動(dòng)速度 防止打滑 對(duì)于運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算 顯 示 配合傳感器技術(shù)可用于計(jì)算距離 速度等重要的運(yùn)行數(shù)據(jù) 鍵盤(pán)處理上采用 中斷方式 不必使程序?qū)︽I盤(pán)反復(fù)掃描 提高了程序的效率 第第 5 5 章章 單片機(jī)系統(tǒng)綜合調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)綜合調(diào)試 在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)和各種智能產(chǎn)品中常常會(huì)用用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)和控制 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 24 而現(xiàn)代智能控制系統(tǒng)中 對(duì)電機(jī)的控制要求越來(lái)越精確和迅速 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)要求越 來(lái)越高 隨著科技的發(fā)展 通過(guò)對(duì)電機(jī)的改造 出現(xiàn)了一些針對(duì)各種應(yīng)用要求的電機(jī) 如伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等非傳統(tǒng)電機(jī) 但是在一些對(duì)位置控制要求不 高的電機(jī)控制系統(tǒng)如傳動(dòng)控制系統(tǒng)中 傳統(tǒng)電機(jī)如直流電機(jī)乃有很大的優(yōu)勢(shì) 而要對(duì) 其進(jìn)行精確而又迅速的控制 就需要復(fù)雜的控制系統(tǒng) 隨著微電子和計(jì)算機(jī)的發(fā)展 數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛 數(shù)字控制系統(tǒng)有控制精確 硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 受環(huán)境影 響小 功能復(fù)雜 系統(tǒng)修改簡(jiǎn)單 有很好的人機(jī)交換界面等特點(diǎn) 在電機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中 常常需要消耗各種硬件資源 系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng) 而在調(diào) 試時(shí)很難對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行修改 從而延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期 隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā) 展 可用計(jì)算機(jī)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真 從而減小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)開(kāi)支和周期 計(jì)算機(jī)仿 真可分為整體仿真和實(shí)時(shí)仿真 整體仿真是對(duì)系統(tǒng)各個(gè)時(shí)間段對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行計(jì)算和 分析 從而對(duì)各個(gè)對(duì)象的變化情況有直觀的整體的了解 即能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確的預(yù)測(cè) 如 Matlab 就是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)仿真軟件 實(shí)時(shí)仿真是對(duì)時(shí)間點(diǎn)的動(dòng)態(tài)仿真 即隨著 時(shí)間的推移它能動(dòng)態(tài)仿真出當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的狀態(tài) Proteus 是一個(gè)實(shí)時(shí)仿真軟件 用來(lái)仿 真各種嵌入式系統(tǒng) 它能對(duì)各種微控制器進(jìn)行仿真 本系統(tǒng)即用 Proteus 對(duì)直流電機(jī) 控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真 5 15 1 PROTEUSPROTEUS 設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái) Proteus 軟件是 Labcenter Electronics 公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件 是一 個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟 硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái) 包括 ISIS ARES 等軟件模塊 ARES 模 塊主要用來(lái)完成 PCB 的設(shè)計(jì) 而 ISIS 模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真 Proteus 的軟件仿真基于處理器虛擬系統(tǒng)仿真模型 VSM 是目前最好的模擬單片機(jī)外 圍器件的工具 它與其他軟件最大的不同也是最大的優(yōu)勢(shì)就在于它能仿真大量的單片 機(jī)芯片 比如 MCS 51 系列 AVR PIC 系列等常用的 MCU 以及單片機(jī)外圍電路 比 如 LCD RAM ROM 鍵盤(pán) 馬達(dá) LED AD DA 等 通過(guò) Proteus 軟件的使用我們能夠 輕易地獲得一個(gè)功能齊全 實(shí)用方便的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室 keilC51 軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀軟件之一 它集編輯 編譯 仿真于 一體 支持匯編 PLM 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì) 界面友好 易學(xué)易用 本文中由于我們主要使用 keilC51 軟件編輯 調(diào)試程序 Proteus 軟件仿真單片 機(jī) 我們重點(diǎn)研究了 Proteus 的 ISIS 模塊用法 在下面的內(nèi)容中 如不特別說(shuō)明 我們所說(shuō)的 Proteus 軟件特指其 ISIS 模塊 ISIS 直譯為智能原理圖輸入系統(tǒng) 從 精品文檔 25歡迎下載 ISIS 窗口各欄內(nèi)容可知 PROTEUS VSM 所包括的內(nèi)容都已整合到 ISIS 中 所以 ISIS 實(shí)際上是 PROTEUS VSM 的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái) ISIS 界面如下 圖 5 1 ISIS 界面 5 25 2 PROTEUSPROTEUS 設(shè)計(jì)與單片機(jī)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程比較設(shè)計(jì)與單片機(jī)傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程比較 單片機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 選擇元器件接插件 安裝和電氣檢測(cè) 總稱硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 匯編編譯 調(diào)試和編程 總稱軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行 檢測(cè) 在線調(diào)試直至完成 總稱單片機(jī)系統(tǒng)綜合調(diào)試 單片機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)代開(kāi)發(fā)過(guò)程 上述全部過(guò)程都可用 PROTEUS 來(lái)完成 其過(guò)程也可分為三步 在 ISIS 平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 選擇元器件接插件 安裝和電氣檢測(cè) 簡(jiǎn)稱為 PROTEUS 電路設(shè)計(jì) 在 KeilC 平臺(tái)上進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 匯編編譯 代碼級(jí)調(diào)試 最后生成目標(biāo) 級(jí)代碼文件 hex 也可以使用 ISIS 進(jìn)行調(diào)試 在 ISIS 平臺(tái)上將目標(biāo)代碼文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)中 并實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 26 互 協(xié)同仿真 5 35 3 仿真結(jié)果與分析仿真結(jié)果與分析 啟動(dòng)仿真后 初始狀態(tài) H 橋兩端均為低電平 電機(jī)停轉(zhuǎn) R2 1k R3 1k U3 NOT U4 NOT 12V Q1 PN4141 Q2 PN4141 Q4 PN4143 Q3 PN4143 Q6 PN4141 Q5 PN4141 0 0 圖 5 2 上電狀態(tài) 按下啟停按鈕 電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng) Q5 一端固定為低電平 Q6 一端為變化的 PWM 信號(hào) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 倘若此時(shí)按方向按鈕 電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 如圖 5 4 所示 此時(shí) Q6 一端固定為低電平 Q5 一端為變化的 PWM 信號(hào) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 倘若此時(shí) 按啟停按鈕 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) 回到圖 5 2 狀態(tài) 精品文檔 27歡迎下載 R2 1k R3 1k U3 NOT U4 NOT 12V Q1 PN4141 Q2 PN4141 Q4 PN4143 Q3 PN4143 Q6 PN4141 Q5 PN4141 0 1 圖 5 3 啟動(dòng)狀態(tài) 電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) R2 1k R3 1k U3 NOT U4 NOT 12V Q1 PN4141 Q2 PN4141 Q4 PN4143 Q3 PN4143 Q6 PN4141 Q5 PN4141 1 0 圖 5 4 啟動(dòng)狀態(tài) 電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 在圖 5 3 電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下 對(duì)單片機(jī) P3 7 端口的 PWM 波形做了粗略測(cè)量 按動(dòng)多次減速鍵后 當(dāng) COT0 0AH 10 后 減速檔位到達(dá)最高 不再減速 相當(dāng)于速 度 1 檔 示波器顯示如圖 5 5 高性能 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 28 圖 5 5 減速后 P3 7 波形 COT0 10 同理 按動(dòng)多次加速鍵后 當(dāng) COT1 0AH 10 后 加速檔位到達(dá)最高 不再加速 相當(dāng)于速度 11 檔 示波器顯示如圖 5 8 圖 5 6 加速后 P3 7 波形 COT1 10 精品文檔 29歡迎下載 結(jié)合 KeilC 中的不同時(shí)期的定時(shí)器計(jì)數(shù)初值 如附錄 C 所示 比較發(fā)現(xiàn) 表 5 1 KeilC 中定時(shí)器計(jì)數(shù)初值比較 速度P3 7 0 計(jì)數(shù)初值P3 7 1 計(jì)數(shù)初值總計(jì)數(shù)值占空比 1 檔8EC0H 32496 86F2H 34290 6678951 34 6 檔8AD8H 32504 8ADAH 32506 650