基于單片機對直流電機的控制

1、基于單片機對直流電機的控制第十五組姓 名： 吳代露 20131325010 張鵬飛 20131325012金靜麗 20131325014周 敏 20131325015胡會華 20131325017顧 蓉 20131325018專 業(yè)： 2013級信息工程（系統(tǒng)工程方向）指導老師： 周 旺 平 2014.12.22基于單片機對直流電機的控制內(nèi) 容 摘 要電動機作為最主要的動力源，在生產(chǎn)和生活中占有重要地位。電動機的調(diào)速控制過去多用模擬法，隨著計算機的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制也發(fā)生了深刻的變化。關(guān)鍵字 ：電動機 飛思卡爾 PWM控制一、引言（一）直流電機的定義直流

2、電機（direct current machine）:是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。（二）直流電機的基本結(jié)構(gòu) 由直流電動機和發(fā)電機工作原理示意圖可以看到，直流電機的結(jié)構(gòu)應由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換

3、的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。（三）直流電機工作原理 直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動。直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感應電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）。導體受力的方向用左手定

4、則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。（四）直流電機的分類直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。 （1）無刷直流電動機：無刷直流電動機是將普通直流電動機的定子與轉(zhuǎn)子進行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動機類似。無刷直流電動機定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機或感應電動機相同在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)

5、繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進行合理換相。由于電動機本體為永磁電機，所以習慣上把無刷直流電動機也叫做永磁無刷直流電動機。 （2）有刷直流電動機：又可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。 永磁直流電動機劃分：稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。稀土永磁直流電動機：體積小且性能更好，但價格昂貴，主要用于航天、計算機、井下儀器等；鐵氧體永磁直流電動機：由鐵氧體材料制成的磁極體,廉價，且性能良好，廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動工具等領(lǐng)域；鋁鎳鈷永磁直流電動機：需要消耗大量的貴重金屬、價格較高，但對高溫的適應性好，用于環(huán)境溫度較高或?qū)﹄妱訖C的

6、溫度穩(wěn)定性要求較高的場合。 電磁直流電動機劃分：串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。 （1）串勵直流電動機：電流串聯(lián)，分流，勵磁繞組是和電樞串聯(lián)的，直流串勵電動機通常用較粗的導線繞成，他的匝數(shù)較少。 （2）并勵直流電動機：并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。（3）他勵直流電動機：勵磁繞組與電樞沒有電的聯(lián)系，勵磁電路是由另外流電源供給的。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。（4）復勵直流電動機：復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵 。二、基礎知識（一）PWM

7、寄存器相關(guān)基礎脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation 簡稱PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬實驗進行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電子電力技術(shù)最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科

8、學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振波開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。PWM就是脈沖脈寬調(diào)制，輸出的波形就是一些不同占空比的方波，波形周期和占空比你都可以設定。占空比(Duty Ratio)在一串理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。看下圖，T是周期，高電平時間t除以周期T就叫占空比。（1）PWM使能寄存器PWME。 PWME7:0=1;相應的PWM模塊使能，否則禁止。（2）PWM極性寄存器PWMPOL。PPOL7:0=1,PWM通道輸出在開始的時候為高電平，為0說明開始時為低電平。（3）PWM時鐘選擇寄存器PW

9、MCLK。PCLK*=1，使用時鐘SA或SB作為時鐘源，PCLK*=0,使用時鐘A或B作為時鐘源。（4）PWM預分頻時鐘選擇寄存器PWMPRCLK：（5）SA寄存器PWMSCLA，用來設置SA時鐘源頻率 SA的時鐘頻率 fSA=fA/(2*PWMSCLA),如果PWMSCLA=0x00，fSA=fA/512.（6）PWM中間對齊使能寄存器PWMCAE： CAE7:0=1,采用中間對齊模式；CAE7:0=0,采用左對齊模式。（7）PWM通道周期寄存器（PWMPERX） 具體按如下公式計算，左對齊時：PWM周期=通道時鐘周期*PWMPERX； 中間對齊時：PWM周期=通道時鐘周期*2*PWMPER

10、X； （8）PWM占空比寄存器PWMDTYX： PWM的占空比按如下公式計算： PWM占空比計算和極性寄存器PWMPOL有關(guān)，當PPOLx=0時，占空比=（周期寄存器值減去占空比寄存器值）除以周期寄存器值；當PPOLx=1時，占空比=占空比寄存器值除以周期寄存器值。（二） L298NL298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。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；采用標準邏輯電平信號

11、控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作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；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。L298N 是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48v，邏輯部分5v供電，接受5vTTL電平。一般情況下，功率部分的電壓應大于6V否則芯片可能不能正常工作。管腳圖如下：應用框圖如下： L298N驅(qū)動特點：1) 具有信號指示2) 轉(zhuǎn)速可調(diào)3) 抗干擾能力強4) 具有過電壓和過電流保

12、護5) 可單獨控制兩臺直流電機6) 可單獨控制一臺步進電機7) PWM脈沖平滑調(diào)速8) 可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)9) 采用光電隔離三 系統(tǒng)設計 （一） 系統(tǒng)設計框圖XS128單片機晶振電路狀態(tài)顯示電路復位電路按鍵控制電路L298N驅(qū)動直流電機 （二）軟件設計流程圖開始初始化鎖相環(huán)電路PWM初始化主函數(shù)結(jié)束一般按鍵在按下的時候有抖動的問題，即鍵的簧片在按下時會有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個短暫的時間才會可靠地接觸。若在簧片抖動時進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的問題。程序#include <hidef.h> /*與普通的宏定義*/#include "derivati

13、ve.h" /*導數(shù)定義*/int read_porta,key,cntl=0;int encoder_cnt;/*/* 初始化鎖相環(huán) */*/void PLL_32M(void) /總線時鐘= 32MHz，PLL時鐘= D/A CLKSEL &= 0x7f; /集oscclk作為系統(tǒng)時鐘 PLLCTL &= 0x8F; /禁用PLL電路 CRGINT &= 0xDF; SYNR = 0x43; REFDV = 0x81; /鎖相環(huán)頻率= 2×oscclk×（同步讀+ 1）/（refdv + 1）D/A PLLCTL = PLLCTL |

14、0x70; /使鎖相環(huán)電路 asm NOP; asm NOP; /匯編指令nop，空操作，其執(zhí)行時間是一個時鐘周期 while(!(CRGFLG&0x08); /鎖相環(huán)頻率鎖定 CLKSEL |= 0x80; /設置鎖相環(huán)頻率作為系統(tǒng)時鐘void gpio_inits(void) /通用輸入輸出接口 DDRA=0x00; /A端口的方向寄存器/*/* PWM初始化 */*/void PWM_inits(void)PWME_PWME0=0; / PWM使能關(guān)閉 PWMPRCLK=0x05; / 預分頻時鐘寄存器PWMCLK_PCLK0=0; /時鐘選擇寄存器PWMSCLA=0x7D; /

15、SA寄存器PWMPOL_PPOL0=1; / 極性設置開始輸出高電平PWMCAE_CAE0=0; /對齊方式左對齊PWMCTL=0x00; / 控制寄存器設置-無級聯(lián)PWMDTY0=0; / 占空比PWMPER0=0x64; / 周期100PWMCNT0=0x00; /延時計數(shù)PWME_PWME0=1; / Enable PWM 使能void delay(unsigned int i) /演示函數(shù)未測試具體時間僅用來測試系統(tǒng)是否運行 unsigned int k,j; for(j=0;j<i;j+) for(k=0;k<125;k+);void main(void)PLL_init

16、s();gpio_inits(); PWM_inits(); EnableInterrupts;for(;) _FEED_COP(); / feeds the dog read_porta=PORTA;if(read_porta&0x01)delay(5); /延遲消抖if(read_porta&0x01)key=1;if(read_porta&0x02)delay(5);if(read_porta&0x02)key=2;if(read_porta&0x04)delay(5);if(read_porta&0x04)key=3;if(read_po