單片機(jī)控制直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)制

1、用單片機(jī)控制直流電機(jī)摘要本設(shè)計(jì)以A T89C51單片機(jī)為核心,以4*4矩陣鍵盤(pán)做為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)的啟停、速度和方向,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。一、設(shè)計(jì)方案比較與分析:1、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

2、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:采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓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?xún)?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、PWM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

3、轉(zhuǎn)速。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、PWM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、PWM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

4、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。但是基于不占用定時(shí)器資源,且對(duì)于直流電機(jī),采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許范圍,故采用方案二。二、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì):總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。 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)P2.0與P2.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM 脈沖,另一口輸出低電平,經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、光耦傳遞,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)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò)LED 顯示出來(lái)。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向右移動(dòng),反轉(zhuǎn)時(shí)數(shù)字向左移動(dòng)。移動(dòng)速度分7檔,快慢與電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)快慢一一對(duì)應(yīng)。每次電動(dòng)機(jī)

5、啟動(dòng)后開(kāi)始計(jì)時(shí),停止時(shí)LED 顯示出本次運(yùn)轉(zhuǎn)所用時(shí)間,時(shí)間精確到0.1s 。1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與分析電動(dòng)機(jī)PWM 驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見(jiàn)下圖二。本電路采用的是基于PWM 原理的H 型橋式驅(qū)動(dòng)電路。 圖二PWM 電路由四個(gè)大功率晶體管組成H 型橋式電路構(gòu)成,四部分晶體管以對(duì)角組合分為兩組:根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用。4個(gè)電感在電路中是起防止電動(dòng)機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過(guò)大的保護(hù)作用。在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v 電源,因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制,則控制電壓最高為5V ,再加上三極管本身壓降

6、,加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4V 左右,嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；谏鲜隹紤],我們運(yùn)用了4N25光耦集成塊,將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開(kāi)來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流;電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)外接12V 電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度,也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。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

7、,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)N1輸入信號(hào),N2輸入低電平與N1輸入低電平,N2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)。速度分7檔控制,從高電平(第6檔到低電平(第0檔中間占空比以20%逐極遞減。速度微調(diào)方面,可以通過(guò)對(duì)占空比以1%的跨度逐增或逐減分別實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的逐加或逐減。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語(yǔ)言完成,采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口,完成鍵盤(pán)輸入、按鍵識(shí)別和功能、PWM 脈寬控制和LED 顯示等部分的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)主函

8、數(shù)流程如圖三: PWM脈寬控制:本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制,延時(shí)程序函數(shù)如下:void delay(unsigned char dlylevelint i=50*dlylevel;while(-i;此函數(shù)為帶參數(shù)DLYLEVEL,約產(chǎn)生DLYLEVEL*400us的延時(shí),因此一個(gè)脈沖周期可以由高電平持續(xù)時(shí)間系數(shù)hlt和低電平持續(xù)時(shí)間系數(shù)llt組成,本設(shè)計(jì)中采用的脈沖頻率為25Hz,可得hlt+llt=100,占空比為hlt/(hlt+llt,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)肿兞縣lt,llt的值,該子程序流程圖如圖四。鍵盤(pán)中斷處理子程序:采用中斷方 響應(yīng)該中斷

9、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。調(diào)速檔、持續(xù)加/減速:調(diào)速檔通過(guò)(0-6共七檔固定占空比,即相應(yīng)檔位相應(yīng)改變hlt,llt的值,以實(shí)現(xiàn)調(diào)速檔位的實(shí)現(xiàn)。而要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開(kāi)停止,就需在判斷是否松開(kāi)該按鍵時(shí),每進(jìn)行一次增加/減少1%占空比(即hlt+/-;llt-/+,其程序流程圖如圖五。顯示子程序:利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū),緩存區(qū)有8位,分別存放各個(gè)LED管要顯示的值。顯示子程序?yàn)橐粠⒆映绦?參數(shù)為顯示緩存的數(shù)組名,通過(guò)for(i=0;i<8;i+方式對(duì)每位加上位選碼,送到P0口并進(jìn)行一兩毫秒延時(shí)。該顯示子程序只對(duì)各個(gè)LED管分別點(diǎn)亮一次,

10、因此在運(yùn)行過(guò)程中,每秒執(zhí)行的次數(shù)不應(yīng)低于每秒24次。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3CB0H可定時(shí)50ms,即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá)0.05s。當(dāng)50ms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,并對(duì)全局變量time加1,這樣,通過(guò)變量time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。對(duì)于一個(gè)數(shù)的顯示,先應(yīng)轉(zhuǎn)成BCD碼,即取出每一個(gè)位,分別送入顯示緩存區(qū),對(duì)于轉(zhuǎn)BCD的算法,應(yīng)對(duì)一個(gè)數(shù)循環(huán)除10取模,直至為0,程序如下:dodispbuffbcd_p=bechange%10; /dispbuff為顯示緩沖區(qū)數(shù)組bcd_p+;while(bechange/=10 /disp_p為數(shù)組指針軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn):1、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。 2、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)。 3、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。 三、 測(cè)試結(jié)果與分析： 結(jié)束語(yǔ) 本設(shè)計(jì)在硬件