電位器控制小型直流電機的pwm調(diào)速

1、摘 要隨著時代的發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)普及到我們生活、工作、科研各個領(lǐng)域。并且在各類機電系統(tǒng)中，由于直流電機具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能，直流電機調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個方面，最常用的直流技術(shù)是脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬和損耗低的特點。本設(shè)計主要介紹了使用微控制器AT89S51的直流電機調(diào)速系統(tǒng)。論文主要介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的意義、基于單片機控制的PWM直流電機調(diào)速方法和PWM基本工作原理以及實現(xiàn)方法，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。主電路主要采用電位器的調(diào)節(jié)，經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進而控制AT89S51單片機，將

2、數(shù)據(jù)傳輸給單片機并產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，然后通過電機驅(qū)動芯片L298對小型直流電機進行控制。本設(shè)計還附加了由霍爾開關(guān)CS3020、AT89S51單片機、74LS47七段數(shù)碼管譯碼芯片和四位LED構(gòu)成轉(zhuǎn)速檢測顯示電路。關(guān)鍵詞：單片機AT89S51；直流電機；脈寬調(diào)制；轉(zhuǎn)速檢測目 錄第一章 緒論11.1 課題研究的背景11.2 課題研究的目的與意義11.3 PWM變頻調(diào)速發(fā)展前景與簡介21.4 課題研究內(nèi)容及目標2第二章 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計42.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計42.1.1 設(shè)計思路42.1.2總體方案比較與選擇42.1.3 電機調(diào)速控制模塊方案比較與選擇52.2 基本原理分析52.2.1 直流

3、電機的調(diào)速原理52.2.2 直流電機PWM調(diào)速原理62.2.3 霍爾效應(yīng)和原理簡介72.3 系統(tǒng)各模塊方案的比較與選擇72.3.1 電機驅(qū)動芯片的選擇72.3.2 測速傳感器的選擇82.4 系統(tǒng)硬件組成9第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計103.1 AT89S51單片機特性及管腳說明103.2 ADC0809特性及管腳說明113.3 PWM波形發(fā)生原理123.4 電機驅(qū)動電路133.5 測速部分153.6 復位電路和時鐘電路16總結(jié)19參考文獻20第一章 緒論1.1 課題研究的背景直流電機是最常見的一種電機，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、機械、化工、航空等領(lǐng)域中。早期的直流電機控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器

4、，非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活，調(diào)試困難，阻礙了直流電機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。A/D轉(zhuǎn)換是為了提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量,要使計算機或數(shù)字儀表能識別。處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。而經(jīng)計算機分析。處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路-模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。PWM控制技術(shù)是利用半導體器件的導通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的周期和寬度以

5、達到變壓目的，或控制電壓脈沖的周期和寬度以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來，電氣傳動的PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動自動控制技術(shù)的熱點之一。隨著近代電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，單片機成為了直流電機調(diào)速不可或缺的部分之一。單片機具有體積小、重量輕、功能強、抗干擾能力強、控制靈活、應(yīng)用方便、價格低廉等特點，而被廣泛應(yīng)用于直流電機調(diào)速系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，電機是把電能轉(zhuǎn)化為機械能的主要設(shè)備，因此要求其具有較好的能量轉(zhuǎn)換效率和能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電機調(diào)速性能對提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。所以，電機調(diào)速一直是研究的熱點。1.2 課題研

6、究的目的與意義直流電機具有良好的啟動性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機層出不窮，然而在自動控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過載能力強，抗沖擊負載能力強，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動、加/減速和正/反轉(zhuǎn)。為了滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)運而生。PWM 直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬、控制方式多樣化、能與

7、數(shù)字速度給定信號直接接口等優(yōu)點，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，有利于國家工業(yè)化的發(fā)展。通過學習并熟練掌握這個調(diào)速系統(tǒng)，對我們今后的工作有十分重要的意義。1.3 PWM變頻調(diào)速發(fā)展前景與簡介PWM變頻調(diào)速作為一項新的調(diào)速技術(shù)，在西方發(fā)達國家已得到廣泛應(yīng)用。目前，不論在同步電機調(diào)速方面，還是異步電機調(diào)速方面，PWM變頻調(diào)速是眾多交流調(diào)速方式的佼佼者。本節(jié)主要通過PWM變頻調(diào)速技術(shù)與其他傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)的優(yōu)缺點對比，進而介紹變頻調(diào)速技術(shù)的特性。對于PWM變頻調(diào)速，以上缺點均被一一克服。與交-交變頻電路的變頻過程比較，似乎只多了一個直流的轉(zhuǎn)換過程。而正是這個直流轉(zhuǎn)換過程使PWM變頻電路更具靈活性?，F(xiàn)代的變頻器

8、采用了通信技術(shù)領(lǐng)域中的脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個重要理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。變頻器就是應(yīng)用這一理論，用一系列不等寬的脈沖代替一個正弦波，只要縮短這一系列脈沖的總寬度，就可達到調(diào)頻的效果，而改變這一系列中各脈沖的寬度則可達到調(diào)壓的目的（有效值等效，但峰值不等效），因此這一技術(shù)使恒磁通調(diào)速成為可能。在設(shè)計電機時，一般將額定工作點選在磁化曲線開始彎曲處，因此，調(diào)速時希望保持每極磁通為額定值，即。因為磁通增加，將引起鐵芯過分飽和，勵磁電流急劇增加，導致繞組過分發(fā)熱，功率因素降低；而磁通減少，將使電動機輸出轉(zhuǎn)矩下

9、降，如果負載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢必導致定子、轉(zhuǎn)子過電流，也要產(chǎn)生過熱，故希望保持磁通恒定。由上所知恒磁通調(diào)速，其實是要達到恒力矩輸出的效果。而異步電動機定子每相感應(yīng)電動勢為式中：定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)； 基波繞組系數(shù)； 每極氣隙磁通。由式（1-2）可以知道，的值是由和共同決定的。對和進行適當?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐ū３诸~定值不變。總的來說PWM變頻調(diào)速技術(shù)頻調(diào)速靈活。調(diào)速的范圍寬，在一定范圍內(nèi)可實現(xiàn)恒力矩輸出，是一種相當適合電梯使用的調(diào)速方式，而且其本身的技術(shù)也在不斷的革新中。隨著PWM技術(shù)的不斷改進，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴展。1.4 課題研究內(nèi)容及目標根據(jù)直流電機調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計

10、方案，完成電位器控制小型直流電機的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)需能實現(xiàn)將電位器改變的電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，產(chǎn)生PWM信號，并且通過單片機對L298的信號傳輸達到對電機的啟動和停止，加速和減速，正傳和反轉(zhuǎn)的控制；直流電機的轉(zhuǎn)速在LED顯示器上正確實時顯示。該系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、單片機、顯示器、電機驅(qū)動模塊和測速元件等部分組成。主要內(nèi)容具體描述如下：1. 輸入設(shè)備的選擇：將電位器的電壓改變信號傳遞給A/D轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號給單片機輸入信號；2. 單片機的選型：MCS-51系列單片機有多種型號，其中AT89S51不僅兼容8051，還具有ISP編程和看門狗功能，這里選用單片機AT89S5

11、1作為控制核心；3. 顯示部分的設(shè)計：LED是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，用LED實現(xiàn)對PWM脈寬調(diào)制占空比的實時顯示；4. 電機驅(qū)動模塊的設(shè)計：利用H橋式驅(qū)動電路可實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動的功能，作為集成有橋式電路的電機專用芯片L298在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能比較穩(wěn)定可靠，所以用L298作為電機的驅(qū)動芯片。5. 測速元件的選用：測速元件有很多，本設(shè)計選用霍爾元件測速，在電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度傳送給單片機。第二章 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1.1 設(shè)計思路單片機控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)的主要功能包括：實現(xiàn)對直流電機的加速、減速和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及

12、啟動、停止的控制，能夠很方便地實現(xiàn)電機智能控制。系統(tǒng)的主體電路是直流電機PWM控制模塊。這部分電路主要由AT89S51單片機的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等來控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，可以方便地實現(xiàn)直流電機的智能控制。該系統(tǒng)是通過AT89S51單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機的工作。該單片機控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個電路模塊組成：輸入模塊：這一部分主要是利用電位器的阻值改變，通過A/D轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字信號來實現(xiàn)對直流電機的測速?？刂颇K：主要由AT89S51單片機的外部擴展電路組成。直流電機P

13、WM控制實現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機和L298驅(qū)動芯片組成。測速顯示模塊：通過霍爾傳感器CS3020和LED數(shù)碼顯示，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的實時顯示。2.1.2總體方案比較與選擇方案一：直接加直流電源來控制電機的轉(zhuǎn)動速度：根據(jù)電機在其額定電壓時，電機有一定的額定轉(zhuǎn)速。那么如果其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動速度也相應(yīng)地減小。在傳統(tǒng)的改變電機的轉(zhuǎn)速中，就是利用所給電機的電壓的不同，從而達到人們所需的轉(zhuǎn)速。方案二：以單片機AT89S51為中心，通過D/A轉(zhuǎn)換器，將單片機數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電機的轉(zhuǎn)速問題。其中在單片機控制部分通過按鍵直接從程序中調(diào)出所需的速度值，同時輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換部

14、分以實現(xiàn)電機的調(diào)速。電路組成框圖如圖2-1所示：顯示器電位器AT89S51單片機D/A轉(zhuǎn)換器電機圖2-1 電路組成框圖方案三：采用AT89S51單片機進行控制。本設(shè)計需要使用的軟件資源比較簡單，只需完成霍爾元件采樣部分、鍵盤控制部分以及顯示輸出功能。采用AT89S51進行控制比較簡單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強、精度高且體積大大減小。輸出速度由單片機傳送給LED進行實時顯示。AT89S51是ATMEL在2003年推出的新型單片機品種。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次

15、的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，所以ATMEL的AT89S51是一種高效微控制器。方案分析：方案一只能以減小所給電壓值而能使電機的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)地減小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及時地從電機那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，而是直接從程序那兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼管顯示。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實性。方案三在可操作性與實時性方面都結(jié)合了本設(shè)計的特點，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用所學知識的特點。所以，本設(shè)計采用方案三。

16、2.1.3 電機調(diào)速控制模塊方案比較與選擇方案一：采用電阻網(wǎng)路或數(shù)字電位器調(diào)整電機分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)路只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴，更主要的問題是一般電機的電阻很少，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)困難。方案二：采用繼電器對電機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易壞、壽命短、可靠性不高。方案三：采用由復合三極管組成的H型PWM電路。用單片機控制復合三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，

17、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、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。2.2 基本原理分析2.2.1 直流電機的調(diào)速原理直流電機結(jié)構(gòu)多樣，但不論什么樣的直流電機都由定子和轉(zhuǎn)子。其中定子由主磁極、換向磁極、機座等幾部分組成；轉(zhuǎn)子主要由：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。常見直流電機外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。直流電機按勵磁方式的不同可分為：他勵、并勵、串勵和復勵電機四種。不同勵磁方式，直流電機的機械特性曲線也不同。對于直流電機來說人為機械特性方程式為： （2-1）式中：是電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為；是轉(zhuǎn)速差；壓是電樞供電電（V）；是電樞

18、回路總電阻（）；是勵磁磁通（Wb）；是電勢系數(shù)；轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由式（2-1）可以看出，改變電樞電阻、電樞電壓和勵磁磁通中的任何一個都可以使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，所以直流電機調(diào)速方法有以上三種：改變電樞電阻、改變電樞電壓和改變勵磁磁通。但是利用改變電樞電壓調(diào)速可以實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，且調(diào)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍大等優(yōu)點。故本設(shè)計采用改變電樞電壓來進行調(diào)速。圖2-2 直流電機外形和結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 直流電機PWM調(diào)速原理PWM控制技術(shù)是利用半導體開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。下面簡述一下PWM調(diào)速

19、系統(tǒng)的工作原理。圖2-3給出PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。（a） （b）圖2-3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其波形假設(shè)V1先導通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復進行，可得到圖2-3（b）的波形圖，可以得到電機電樞端的平均電壓。如果，可定義為占空比。假定輸入電壓不變，越大，則電機電壓就越大，反之也成立。所以改變就可以達到調(diào)壓的目的。改變有三種方法：第一種就是T1保持不變，使T2在0到之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是T2不變，使T1在0到之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法；第三種就是T保持一定，使T1在0到T間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計采用的是定頻調(diào)寬法，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定，并且

20、在產(chǎn)生PWM脈沖實現(xiàn)上更方便。2.2.3 霍爾效應(yīng)和原理簡介本設(shè)計采用的霍爾傳感器CS3020進行測速的，所以本節(jié)主要介紹一下霍爾效應(yīng)及其原理?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差?；魻栃?yīng)原理圖見圖2-4。圖2-4 霍爾效應(yīng)原理圖因為運動中的電荷收到磁場中洛倫磁力的作用而產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。霍爾電勢見公式（2-2）： （2-2）式（2-2）中：材料的霍爾常數(shù)（）； 控制

21、電流（A）； 磁感應(yīng)強度（T）； 元件的厚度（m）；令：，則得到：，有此式可以看出霍爾電勢的大小取決于控制電流I和磁感應(yīng)強度B，叫做霍爾靈敏度，與元件材料性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。2.3 系統(tǒng)各模塊方案的比較與選擇2.3.1 電機驅(qū)動芯片的選擇本設(shè)計核心部分就是對小型直流電動機進行可逆的PWM調(diào)速控制。要實現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個開關(guān)管構(gòu)成的H型橋式驅(qū)動電路。而在設(shè)計中可以使用集成有橋式電路的電機專用芯片，可以簡化電路。目前常用的電機驅(qū)動芯片有LMD18200、L298、ML33886、MC4428等。不過在應(yīng)用領(lǐng)域，L298使用比較廣泛，所以本設(shè)計采用L298作為電機的驅(qū)動芯片。L29

22、8是ST公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成有兩個橋式電路的電機驅(qū)動專用芯片，它的工作電壓可高達46V。輸出電流也很大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流可達2A。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端口，分別控制兩個電機的啟動和制動；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；它可以外接電阻，把變化量反饋給控制電路。此外，L298的兩個橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動一個直流電動機，直流電流可達到4A。L298的運行參數(shù)如表2-1所示： 表2-1 L298運行參數(shù)參數(shù)符號測試環(huán)境最小值典型值最

23、大值單位驅(qū)動電源電壓Vs持續(xù)工作時46V邏輯電源電壓Vss2.557V輸入低電平電壓ViL4.51.5V輸入高電平電壓ViH-0.3VssV使能端低電平電壓Ven=L2.31.5V使能端高電平電壓Ven=H-0.3VssV全橋式驅(qū)動器總的電壓降（每一路）VcEIL=1A2.33.2V(sat)IL=2A1.84.9V檢測電壓1,15腳Vsen-12V2.3.2 測速傳感器的選擇21本設(shè)計主要是采用霍爾元件作為測速傳感器。CS3020是CS系列的霍爾傳感器常用的一種，它是由電壓調(diào)整器，霍爾電壓發(fā)生器，差分放大電路，史密特觸發(fā)器及集電極開路的輸出級組成磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出為電壓。

24、其外形圖見圖2-8。CS3020工作頻率寬（100KHz），開關(guān)速度快，沒瞬間抖動，電源電壓范圍寬，能直接和晶體管及TTL、MOS等邏輯電路接口，并且還有壽命長，體積小，方便安裝等優(yōu)點。常用于無觸點開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測量、隔離檢測、無刷電機等方面。CS3020的電特性和磁特性分別見表2-2和表2-3：圖2-8 CS3020表2-2 CS3020的電特性參數(shù)符號測試條件最小值典型值最大值單位電源電壓Vcc4.524V輸出高電平電流VohIOUT=20mA,BBOP0.110uA輸出低電平電壓VolVOUT=24V,BBPR200400mV電源電流IccVcc=輸出開路8mA輸出上升時間trRL

25、=8200.12uS輸出下降時間tfCL=20pF0.18uS表2-3 CS3020的磁特性參數(shù)符號最小值典型值最大值單位工作點BOP2235mT釋放點BRP516.5mT回差Btrys2mT2.4 系統(tǒng)硬件組成本設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：單片機、驅(qū)動電路、直流電機、測速元件、接口電路、顯示器、電位器、A/D轉(zhuǎn)換器等部分組成。硬件電路組成框圖如圖2-9所示：圖2-9 直流電機調(diào)速系統(tǒng)硬件本設(shè)計由電位器的阻值變化通過A/D轉(zhuǎn)化將信號傳遞給單片機AT89S51并通過計算占空比產(chǎn)生出對應(yīng)的PWM信號輸出和控制信號輸出，其中一路信號控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流電機的速度。在

26、直流電機中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號傳送到AT89S51，AT89S51進行定時計數(shù)，計算出直流電機每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計是基于單片機控制的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。本章將基于上一章為基礎(chǔ)對硬件系統(tǒng)各部分作進一步分析，并且對硬件各部分電路加以呈現(xiàn)和分析。本系統(tǒng)控制對象是55LCX-1永磁式直流力矩電動機，主要技術(shù)指標如表3-1。針對要求分別對電源、PWM波形產(chǎn)生部分、電機驅(qū)動部分、鍵盤輸入部分及測速顯示部分進行設(shè)計。表3-1 55LCX-1主要技術(shù)指標55LCX-1峰值堵轉(zhuǎn)連續(xù)堵轉(zhuǎn)最大空載轉(zhuǎn)速r/min轉(zhuǎn)矩Nm電流A電壓V轉(zhuǎn)矩Nm電流A電壓V0.424.

27、2270.141.4920003.1 AT89S51單片機特性及管腳說明上一章在系統(tǒng)總體方案設(shè)計中已經(jīng)對微控制器AT89S51簡單介紹了，本節(jié)將在上一章的基礎(chǔ)上對微控制器作詳細地闡述。1）ATMEL公司的AT89S51芯片具有以下特性：指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容； 4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲器； 時鐘頻率為033MHz； 128字節(jié)片內(nèi)隨機讀寫存儲器（RAM）； 32個可編程I/O引腳； 2個16位定時/計數(shù)器； 6個中斷源，2級優(yōu)先級； 全雙工串行通信接口； 監(jiān)視定時器；低功耗的閑置和掉電模式。圖3-1 AT89S51引腳圖2）AT89SS51引腳功能介紹，

28、AT89S51引腳如圖3-1所示：Vcc：AT89S51電源正端輸入，接+5V；Vss：電源接地端；XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端；XTAL2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端；RST/VPD：RST是復位信號，高電平有效，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。RST的第二功能是備用電源VPD的輸入端。：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當端保持高電平時，單片機復位后訪問片內(nèi)存儲器ROM。當程序計數(shù)器PC的值超過4KB時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外存儲器ROM內(nèi)的程序。當端接地保持低電平時，則只訪問片外程序存儲器，而不管內(nèi)部是否有程序存儲器。：地址鎖存允許信號端

29、。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許(address latch enable)信號的輸出用于鎖存低8位地址的控制信號，此信號頻率為振蕩器的1/6。當不訪問片外存儲器時，信號可用作對外輸出時鐘或定時信號。端可驅(qū)動8個LS型TTL負載。：程序存儲器允許輸出信號端（program store enable）。此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。AT89S51可以利用及引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。端同樣可驅(qū)動8個LS型TTL負載。P0口：P0.0P0.7。P0口第一功能是作為通用的I/O口，CPU在傳送輸入/輸出數(shù)

30、據(jù)時，輸出數(shù)據(jù)可以鎖存，輸入數(shù)據(jù)可以緩存；P0口第二功能是當CPU訪問片外存儲器時，分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復位總線。P1口：P1.0P1.7。P1口第一功能是作為通用I/O口；P1口第二功能是在對片內(nèi)EPROM編程或校驗時輸入片內(nèi)EPROM的低8位地址。P2口：P2.0P2.7。P2口第一功能是當不帶片外存儲器時，作為通用I/O口；P2口第二功能是當帶片外存儲器時，與P0口配合 ，傳送片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元。P3口：P3.0P3.7。P3口除了做通用的I/O口外，作為控制用的第二功能如表3-2所示：表3-2：P3口各位的第二功能P3口的位 第2功能 注釋 P3.

31、0 RXD 串行數(shù)據(jù)接收口 P3.1 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 P3.2 INT0 外部中斷0輸入 P3.3 INT1 外部中斷1輸入 P3.4 T0 定時器/計數(shù)器0外部輸入 P3.5 T1 定時器/計數(shù)器0外部輸入 P3.6 外部RAM寫選通信號 P3.7 外部RAM讀選通信號3.2 ADC0809特性及管腳說明1）美國國家半導體公司的ADC0809芯片具有以下特性：8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 具有轉(zhuǎn)換起停控制端。 轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640kHz時)，130s（時鐘為500kHz時）單個+5V電源供電 模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點和滿刻度校準。 工作溫度范

32、圍為-40+85攝氏度 低功耗，約15mW。2）ADC0809引腳功能介紹圖3-2 ADC0809引腳圖IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個

33、高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。3.3 PWM波形發(fā)生原理本設(shè)計中PWM波形是用AT89S51單片機編程實現(xiàn)的，這部分硬件比較少，主要保證AT89S51正常工作的最少模式就行了，AT89S51的P3.7引腳作為PWM波的輸出口。3.4 電機驅(qū)動電路在上一章已經(jīng)選定了使用L298作為電機的驅(qū)動芯片，表3-3是L298的引腳功能介紹，圖3-3是電機驅(qū)動的硬件電路圖。表3-3 L298的引腳功能引腳符號功能1SENSEA此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動

34、芯片反饋檢測到的信號15SENSEB2OUT1此兩腳是全橋式驅(qū)動器A的兩個輸出端，用來連接負載3OUT24Vs電機驅(qū)動電源輸入端5IN1輸入標準的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器A的開關(guān)7IN26ENA使能控制端.輸入標準TTL邏輯電平信號；低電平時全橋式驅(qū)動器禁止工作11ENB8GND接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通9Vss邏輯控制部分的電源輸人端口10IN3輸入標準的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān)12IN413OUT3此兩腳是全橋式驅(qū)動器B的兩個輸出端，用來連接負載14OUT4圖3-3 L298驅(qū)動芯片硬件電路單片機AT89S51輸出的脈寬調(diào)制(PWM)信號需經(jīng)

35、過功率放大才能驅(qū)動電機，本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是L298驅(qū)動芯片，驅(qū)動接口電路如圖3-3所示。L298有單極性、雙極性2種工作方式。單極性工作方式指的是在一個PWM周期內(nèi)，電機的電樞只承受單極性的電壓；雙極性工作方式是指在一個PWM周期內(nèi)電機電樞兩端的電壓呈正負變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片機的PWM輸出引腳P3.7接L298的EnA和EnB引腳,它控制著電機轉(zhuǎn)速大??；單片機的P3.2經(jīng)過一定的邏輯電路接到L298的IN1，IN2，IN3，IN4輸入引腳上，它控制電機的轉(zhuǎn)動方向。比較器LM393主要起到了限制過流和保護L298的作用。LM393的同相端直接連到了一個可變電位計上，

36、電位計的參考電壓是可調(diào)的。調(diào)節(jié)電位計的參考電壓能調(diào)節(jié)L298的限流電壓。LM393的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB兩檢測端。當檢測電阻兩端的電壓大于限流電壓時，比較器的反相端的電壓大于同相端的電壓，輸出端輸出低電平，從而把L298的EnA和EnB使能端拉低，L298停止工作。這就起到了限制過流和保護L298的作用。為了增強L298的驅(qū)動能力，本調(diào)速控制系統(tǒng)對L298的兩路驅(qū)動進行了并聯(lián)使用，最大驅(qū)動能力可以達到3A?，F(xiàn)在我們可以通過L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，分析L298實現(xiàn)的功能，如圖3-4：圖3-4 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖L298的邏輯控制見表3-4。其中C為IN1、IN3，D為IN

37、2、IN4；L為低電平，H為高電平，為無論是低電平還是高電平。Ven為電壓比較器輸出端信號。對于L298的應(yīng)用，還需要對采樣電阻R10進行選擇。對R10進行選擇，以下幾個因素是必須考慮的。第一，L298的允許采樣電壓值是2V，超過這一幅度，芯片會自動保護從而停止工作。第二，L298允許的電流和功率的限制。第三，電阻自身可能達到的功耗。在本設(shè)計中，選用了阻值1.5額定功率5W的電阻保證電機可正常工作。表3-4 L298對直流電機的邏輯真值表 輸入輸出Ven=HC=H；D=L運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，正轉(zhuǎn)Ven=HC=L；D=H運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，反轉(zhuǎn)Ven=LC=；D=運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機制動Ven=LC=；D=停止狀態(tài)

38、下，電機不工作PWM無輸出Ven=；C=；D=運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機制動；停止狀態(tài)下，電機不工作3.5 測速部分第二章已經(jīng)對測速傳感器進行了選擇，由圖2-8可知CS3020有三個引腳，其中1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡單方便易用。在電機的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出兩個脈沖，這樣可測出被測對象的實際轉(zhuǎn)速。其硬件原理圖如圖3-7所示：圖3-5測速硬件原理圖CS3020工作原理是將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號。因其內(nèi)部含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級，故能實現(xiàn)以上功能。圖3-8（a）和圖3-8（b）分別是CS3020的功能圖和輸出特性圖。對于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是：