計算機控制技術(shù)課程設(shè)計(向凱華) 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄1 緒論. 11.1 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖 . 21.2 系統(tǒng)設(shè)計方框圖 . 21.3 系統(tǒng)設(shè)計原理 . 32方案論證 . 42.1 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計方案. 42.2 驅(qū)動電路設(shè)計方案 . 42.3 轉(zhuǎn)速檢測、反饋電路設(shè)計方案 . 63系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 73.1 單片機控制電路 . 73.2 電源電路 . 83.3 H橋驅(qū)動電路. 93.4 轉(zhuǎn)速檢測、反饋電路 . 93.5 LCD顯示模塊. 104系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 124.1軟件電機控制的方框圖. 124.2 測速軟件設(shè)計 . 135 心得體會. 14參考文獻. 15武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書直流電機PWM調(diào)速

2、系統(tǒng)設(shè)計1 緒論在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應用場合。直流電機它具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣;過載能力大,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn);需要能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，從而對直流電機的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電

3、樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足要求。但對于直流電動機，采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)速度更快、控制更容易的全控性功率器件 MOSFET 和 IGBT 成為主流，PWM 表 現(xiàn)出了越大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧 波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達 1:10000 左右； 若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作 在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因

4、而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設(shè)計采用 PWM 技術(shù)來對直流電機進行 調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，減少了對 人力資源的使用，又因為線路的簡單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護、維修變得更加 簡單了，但動、靜態(tài)性能卻提高了。1武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書1.1 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感

5、，并能改善系統(tǒng)的響應特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。如圖，通過單片機控制器產(chǎn)生PWM矩形波，PWM矩形波經(jīng)過驅(qū)動電路的放大對直流電機進行PWM控制，由速度傳感器對電機進行測速，并將測得的速度反饋到輸入端即讓反饋信號與給定量進行比較。從而達到對直流電機的較為精確的控制。圖1 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.2 系統(tǒng)設(shè)計方框圖圖2直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方框圖2武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書1.3 系統(tǒng)設(shè)計原理脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在

6、具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。如下圖，令周期T一定，改變式稱為PWM控制。ton的大小的控制方圖3 PWM控制方式輸出波形直流電動機的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為n=CeUa-IaRa式中 Ua電樞供電電壓（V）；Ia 電樞電流（A）；勵磁磁通（Wb）；Ra電樞回路總電阻（）；CE電勢系數(shù)， ，p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導體數(shù)。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、三個參量都可以成為變量，只要改變其中

7、一個參量，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，所以直流電動機有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻Ra；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵磁磁通。在本設(shè)計中因為和Ra一定，故只能改變電樞供電電壓來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。而通過PWM方式，通過控制其占空比（=可控制電樞供電電壓。從而改變轉(zhuǎn)速n。3tonT），而Ua（Ua=E），即武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書2方案論證2.1 PWM信號發(fā)生電路設(shè)計方案（1）、分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。（2）、軟件模擬法利用單片機的一個I/O引腳，通過軟件對該引腳

8、不斷地輸出高低電平來實現(xiàn)PWM信號輸出。采用單片機軟件編程生成PWM信號，具有兩個定時器T0和T1。并通過對定時器T0和T1的設(shè)置，可輸出不同占空比的脈沖波形。其控制簡單，價格便宜，且控制功能多。（3）、專用PWM集成電路從PWM控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已有許多種。這些芯片除了由PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護功能等。但是其對軟件編程的要求不太高，無法讓所學軟件知識得到利用，起不到鍛煉作用，且成本太高?？紤]以上三種方案，選擇(2)即利用單片機進行軟件模擬方法產(chǎn)生PWM信號。2.2 驅(qū)動電路設(shè)計方案圖4所示的H橋式電機驅(qū)動電路包括

9、4個三極管和一個電機，電路得名于“H橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。 4武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書圖4 H橋驅(qū)動電路要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖5所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向 轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）圖5 H橋驅(qū)

10、動電機順時針轉(zhuǎn)動圖6所示為另一對三極管Q2和Q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。5武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書圖6 H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動所以H橋驅(qū)動電路對于此設(shè)計中實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)等是一個不很好的選擇。2.3 轉(zhuǎn)速檢測、反饋電路設(shè)計方案集成霍爾開關(guān)只對一定強度的磁場起作用,抗干擾能力強,因而應用廣泛。當霍爾開關(guān)所在位置的磁場尚未達到工作點之前 ,器件以高電平輸出,當磁場增強到工作點 B時,霍爾片輸出的電壓 U 經(jīng)差分放大器放大后,送至施密特觸發(fā)器,使之翻轉(zhuǎn)導通,

11、從而使門電路輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?稱此為“開”狀態(tài)。 反之,當磁場減小到釋放點 B 時,門電路輸出端截止,則由低電平變?yōu)楦唠娖? 稱為“關(guān)”狀態(tài)。A44E是典型的集成霍爾開關(guān)在計數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速的測量中應用廣泛。由于A44E靈敏度較高 ,抗干擾能力強,因而大量用于計數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速的測量中,本設(shè)計測速的方法為:將小磁鋼粘在霍爾開關(guān)背面,一起靠近轉(zhuǎn)動的齒輪,由于齒輪的凹與凸,使霍爾開關(guān)的磁感應強度呈明顯變化,霍爾開關(guān)同樣輸出脈沖 6武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 單片機控制單元單片機控制單元如圖所示，它要完成功能鍵控制、LCD顯示的控制、PWM矩形波的生成這幾項功能

12、，由于控制功能多，選用AT89S52系統(tǒng)。顯示部分用了1602LCD顯示器，利用AT89S52的P0口來完成顯示控制，顯示電機的轉(zhuǎn)速。鍵盤接口電路，采用了5個按鈕開關(guān)作為控制。5個按鈕開關(guān)分別控制直流電機的開始、停止、轉(zhuǎn)向、加速、減速的5個狀態(tài)；當按下open鍵時，電機開始工作。若需要加快電機的轉(zhuǎn)速，則按下add_speed鍵，直到電機轉(zhuǎn)速適中；相反，需要減慢電機的轉(zhuǎn)速時，則按下sub_speed鍵，待轉(zhuǎn)速滿意后，放開按鍵。當然，在某種特定的環(huán)境下，還需改變電機的轉(zhuǎn)速，此時，你可以按一下swap鍵，以達到改變電機轉(zhuǎn)向的目的。當電機不工作時，則按下close鍵。如下圖，鍵盤控制電路用單片機的P2

13、口來完成。圖7 AT89S52單片機控制單元7武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書3.2 電源電路78XX,XX就代表它所輸出的電壓值，能降低電壓4-5V電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78系列和負電壓輸出的79系列。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。有時在數(shù)字78或79后面還

14、有一個M或L，如78M12或79L24,用來區(qū)別輸出電流和封裝形式等，其中78L調(diào)系列的最大輸出電流為100mA，78M系列最大輸出電流為1A，78系列最大輸出電流為1.5A。在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。電源電路采用78系列芯片產(chǎn)生+5V、+15V。電路圖如圖8：圖8 78系列的電源電路8武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書3.3 H橋驅(qū)動電路基于三極管的使用機理和特性，在驅(qū)動電機中采用H橋功率驅(qū)動電路，H橋功率驅(qū)動電路可應用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅(qū)動永磁步進電機或混合式步進電機

15、的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說繞組有時需正向電流，有時需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。直流電機控制使用H橋驅(qū)動電路（圖9），當PWM1為低電平,通過對PWM2輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導通Q5截止，從而實現(xiàn)電機正向轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)速的控制；同理，當PWM2為高電平,通過對PWM1輸出占空比不同的矩形波使三極管Q1、Q6同時導通，Q6截止，從而實現(xiàn)電機反向轉(zhuǎn)動以及轉(zhuǎn)速的控制。圖9 H橋的電機驅(qū)動電路3.4 轉(zhuǎn)速檢測、反饋電路霍爾效應：在一塊半導體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d,當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電

16、流方向正交，則在半導體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應 9武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書強度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中kH為霍爾元件的靈敏度。該電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片就是霍爾元件。工作原理：霍爾開關(guān)集成電路中的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經(jīng)信號變換器、驅(qū)動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。信號輸出端每輸出一個周期的方波，代表轉(zhuǎn)過了一個齒。單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)N，因此可求出單位時間內(nèi)的速度VNT。本設(shè)計選用霍爾傳器進行轉(zhuǎn)速的檢測與反饋。圖10 霍爾傳感器的測速電路3.5 LCD顯示模塊1602

17、液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，試驗可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變 10武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書量賦值，如A。1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接

18、正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。 如下圖所示，為LCD顯示電路圖11 LCD顯示電路11武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件電機控制的方框圖通過控制總中斷使能EA控制電機的開關(guān)，同時使

19、能對霍爾傳感器輸出的方波在單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)的計數(shù)。其中定時器T0,T1分別對脈沖的寬度、霍爾元件輸出的脈沖數(shù)對應的時間定時。對脈沖寬度的調(diào)整是通過改變高電平的定時長度。通過軟件控制電機的啟動，加速，減速，轉(zhuǎn)向，和停止。圖12 軟件電機控制的方框圖12武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書4.2 測速軟件設(shè)計若直流電機啟動后，讓定時器T1開始計時，對單位時間內(nèi)產(chǎn)生的方波計數(shù)為N，根據(jù)公式可求出單位時間內(nèi)的速度VNT。程序流程圖如下所示。圖13 軟件測速的方框圖13武漢理工大學計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書5 心得體會這一次的課程設(shè)計讓我學到了不少的東西，由于有前幾次的經(jīng)驗，這次課程設(shè)計應該來說還是比較順利的，由于我們做課程設(shè)計過程中正在實習，平時比較忙，所以對于軟件設(shè)計里面的編程只將流程圖等編程的架構(gòu)思想寫出來了，沒有給出具體的程序。從方案的確定，原理圖的設(shè)計，具體繪制到寫課程設(shè)計論文，在這個過程中我也遇到了很多的困難，因為沒有選修過單片機那門課程，讓我在做課設(shè)的時候感覺很頭疼，不得不去圖書館借了有關(guān)單片機的書來學習。對于在protel9