電位器控制小型直流電機(jī)的pwm調(diào)速

1、摘 要隨著時(shí)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(gè)領(lǐng)域。并且在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)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(diǎn)。本設(shè)計(jì)主要介紹了使用微控制器AT89S51的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。論文主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的意義、基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速方法和PWM基本工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法，通過對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)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(hào)進(jìn)而控制AT89S51單片機(jī)，將

2、數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)并產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，然后通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298對(duì)小型直流電機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)還附加了由霍爾開關(guān)CS3020、AT89S51單片機(jī)、74LS47七段數(shù)碼管譯碼芯片和四位LED構(gòu)成轉(zhuǎn)速檢測(cè)顯示電路。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89S51；直流電機(jī)；脈寬調(diào)制；轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(jiǎn)介21.4 課題研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)2第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)42.1.1 設(shè)計(jì)思路42.1.2總體方案比較與選擇42.1.3 電機(jī)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(jī)的調(diào)速原理52.2.2 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理62.2.3 霍爾效應(yīng)和原理簡(jiǎn)介72.3 系統(tǒng)各模塊方案的比較與選擇72.3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇72.3.2 測(cè)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(jì)103.1 AT89S51單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路133.5 測(cè)速部分153.6 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路16總結(jié)19參考文獻(xiàn)20第一章 緒論1.1 課題研究的背景直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī)，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、機(jī)械、化工、航空等領(lǐng)域中。早期的直流電機(jī)控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)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(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活，調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電機(jī)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(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量,要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別。處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。而經(jīng)計(jì)算機(jī)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(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)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(dǎo)體器件的導(dǎo)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(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來，電氣傳動(dòng)的PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。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，單片機(jī)成為了直流電機(jī)調(diào)速不可或缺的部分之一。單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(jī)調(diào)速性能對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。所以，電機(jī)調(diào)速一直是研究的熱點(diǎn)。1.2 課題研

6、究的目的與意義直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機(jī)層出不窮，然而在自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機(jī)的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機(jī)調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，抗沖擊負(fù)載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動(dòng)、制動(dòng)、加/減速和正/反轉(zhuǎn)。為了滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。PWM 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡(jiǎn)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(hào)直接接口等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，有利于國(guó)家工業(yè)化的發(fā)展。通過學(xué)習(xí)并熟練掌握這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)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(jiǎn)介PWM變頻調(diào)速作為一項(xiàng)新的調(diào)速技術(shù)，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。目前，不論在同步電機(jī)調(diào)速方面，還是異步電機(jī)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(diǎn)對(duì)比，進(jìn)而介紹變頻調(diào)速技術(shù)的特性。對(duì)于PWM變頻調(diào)速，以上缺點(diǎn)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(gè)直流的轉(zhuǎn)換過程。而正是這個(gè)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(diǎn)就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個(gè)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(shí)，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(gè)正弦波，只要縮短這一系列脈沖的總寬度，就可達(dá)到調(diào)頻的效果，而改變這一系列中各脈沖的寬度則可達(dá)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(jì)電機(jī)時(shí)，一般將額定工作點(diǎn)選在磁化曲線開始彎曲處，因此，調(diào)速時(shí)希望保持每極磁通為額定值，即。因?yàn)榇磐ㄔ黾樱瑢⒁痂F芯過分飽和，勵(lì)磁電流急劇增加，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，功率因素降低；而磁通減少，將使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下

9、降，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍維持不變，勢(shì)必導(dǎo)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(shí)是要達(dá)到恒力矩輸出的效果。而異步電動(dòng)機(jī)定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(duì)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐ū３诸~定值不變?？偟膩碚fPWM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(shí)現(xiàn)恒力矩輸出，是一種相當(dāng)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(jìn)，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴(kuò)展。1.4 課題研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計(jì)

10、方案，完成電位器控制小型直流電機(jī)的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)將電位器改變的電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，產(chǎn)生PWM信號(hào)，并且通過單片機(jī)對(duì)L298的信號(hào)傳輸達(dá)到對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)和停止，加速和減速，正傳和反轉(zhuǎn)的控制；直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在LED顯示器上正確實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、單片機(jī)、顯示器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和測(cè)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(hào)傳遞給A/D轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)輸入信號(hào)；2. 單片機(jī)的選型：MCS-51系列單片機(jī)有多種型號(hào)，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(jī)AT89S5

11、1作為控制核心；3. 顯示部分的設(shè)計(jì)：LED是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸出器件，用LED實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM脈寬調(diào)制占空比的實(shí)時(shí)顯示；4. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)：利用H橋式驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動(dòng)的功能，作為集成有橋式電路的電機(jī)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(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。5. 測(cè)速元件的選用：測(cè)速元件有很多，本設(shè)計(jì)選用霍爾元件測(cè)速，在電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度傳送給單片機(jī)。第二章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1.1 設(shè)計(jì)思路單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及

12、啟動(dòng)、停止的控制，能夠很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能控制。系統(tǒng)的主體電路是直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由AT89S51單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等來控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的智能控制。該系統(tǒng)是通過AT89S51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)的工作。該單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)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(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的測(cè)速?？刂颇K：主要由AT89S51單片機(jī)的外部擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)P

13、WM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由一些二極管、電機(jī)和L298驅(qū)動(dòng)芯片組成。測(cè)速顯示模塊：通過霍爾傳感器CS3020和LED數(shù)碼顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度：根據(jù)電機(jī)在其額定電壓時(shí)，電機(jī)有一定的額定轉(zhuǎn)速。那么如果其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度也相應(yīng)地減小。在傳統(tǒng)的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速中，就是利用所給電機(jī)的電壓的不同，從而達(dá)到人們所需的轉(zhuǎn)速。方案二：以單片機(jī)AT89S51為中心，通過D/A轉(zhuǎn)換器，將單片機(jī)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速問題。其中在單片機(jī)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(shí)輸?shù)綌?shù)碼顯示部分和D/A轉(zhuǎn)換部

14、分以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)D/A轉(zhuǎn)換器電機(jī)圖2-1 電路組成框圖方案三：采用AT89S51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)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(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高且體積大大減小。輸出速度由單片機(jī)傳送給LED進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。AT89S51是ATMEL在2003年推出的新型單片機(jī)品種。AT89S51是一個(gè)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(fù)擦寫1000次

15、的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(jī)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(shí)地從電機(jī)那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)性。方案三在可操作性與實(shí)時(shí)性方面都結(jié)合了本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，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(xué)知識(shí)的特點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)采用方案三。

16、2.1.3 電機(jī)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(jī)分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)路只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格昂貴，更主要的問題是一般電機(jī)的電阻很少，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)困難。方案二：采用繼電器對(duì)電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)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)易壞、壽命短、可靠性不高。方案三：采用由復(fù)合三極管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制復(fù)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(jī)的轉(zhuǎn)速。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(jì)采用方案三。2.2 基本原理分析2.2.1 直流電機(jī)的調(diào)速原理直流電機(jī)結(jié)構(gòu)多樣，但不論什么樣的直流電機(jī)都由定子和轉(zhuǎn)子。其中定子由主磁極、換向磁極、機(jī)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(jī)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。直流電機(jī)按勵(lì)磁方式的不同可分為：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)電機(jī)四種。不同勵(lì)磁方式，直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線也不同。對(duì)于直流電機(jī)來說人為機(jī)械特性方程式為： （2-1）式中：是電動(dòng)機(jī)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(lì)磁磁通（Wb）；是電勢(shì)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(lì)磁磁通中的任何一個(gè)都可以使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，所以直流電機(jī)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(lì)磁磁通。但是利用改變電樞電壓調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)平滑的無級(jí)調(diào)速，且調(diào)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。故本設(shè)計(jì)采用改變電樞電壓來進(jìn)行調(diào)速。圖2-2 直流電機(jī)外形和結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)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(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的寬度和周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。下面簡(jiǎn)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(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖2-3（b）的波形圖，可以得到電機(jī)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(jī)電壓就越大，反之也成立。所以改變就可以達(dá)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(jì)采用的是定頻調(diào)寬法，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且

20、在產(chǎn)生PWM脈沖實(shí)現(xiàn)上更方便。2.2.3 霍爾效應(yīng)和原理簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)采用的霍爾傳感器CS3020進(jìn)行測(cè)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(guó)物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，18551938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差?；魻栃?yīng)原理圖見圖2-4。圖2-4 霍爾效應(yīng)原理圖因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)中的電荷收到磁場(chǎng)中洛倫磁力的作用而產(chǎn)生霍爾效應(yīng)?；魻栯妱?shì)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(qiáng)度（T）； 元件的厚度（m）；令：，則得到：，有此式可以看出霍爾電勢(shì)的大小取決于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇本設(shè)計(jì)核心部分就是對(duì)小型直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行可逆的PWM調(diào)速控制。要實(shí)現(xiàn)以上的功能，應(yīng)用比較廣泛的是由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。而在設(shè)計(jì)中可以使用集成有橋式電路的電機(jī)專用芯片，可以簡(jiǎn)化電路。目前常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)采用L298作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。L29

22、8是ST公司生產(chǎn)的內(nèi)部集成有兩個(gè)橋式電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片，它的工作電壓可高達(dá)46V。輸出電流也很大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流可達(dá)2A。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端口，分別控制兩個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)；有一個(gè)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(gè)橋式電路還可以并聯(lián)起來驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，直流電流可達(dá)到4A。L298的運(yùn)行參數(shù)如表2-1所示： 表2-1 L298運(yùn)行參數(shù)參數(shù)符號(hào)測(cè)試環(huán)境最小值典型值最

23、大值單位驅(qū)動(dòng)電源電壓Vs持續(xù)工作時(shí)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(dòng)器總的電壓降（每一路）VcEIL=1A2.33.2V(sat)IL=2A1.84.9V檢測(cè)電壓1,15腳Vsen-12V2.3.2 測(cè)速傳感器的選擇21本設(shè)計(jì)主要是采用霍爾元件作為測(cè)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(jí)組成磁敏傳感電路，其輸入為磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)，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(zhǎng)，體積小，方便安裝等優(yōu)點(diǎn)。常用于無觸點(diǎn)開關(guān)、位置控制、轉(zhuǎn)速測(cè)量、隔離檢測(cè)、無刷電機(jī)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(hào)測(cè)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,B>BOP0.110uA輸出低電平電壓VolVOUT=24V,B<BPR200400mV電源電流IccVcc=輸出開路8mA輸出

25、上升時(shí)間trRL=8200.12uS輸出下降時(shí)間tfCL=20pF0.18uS表2-3 CS3020的磁特性參數(shù)符號(hào)最小值典型值最大值單位工作點(diǎn)BOP2235mT釋放點(diǎn)BRP516.5mT回差Btrys2mT2.4 系統(tǒng)硬件組成本設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、測(cè)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件本設(shè)計(jì)由電位器的阻值變化通過A/D轉(zhuǎn)化將信號(hào)傳遞給單片機(jī)AT89S51并通過計(jì)算占空比產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)輸出和控制信號(hào)輸出，其中一路信號(hào)控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直

26、流電機(jī)的速度。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號(hào)傳送到AT89S51，AT89S51進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出直流電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本章將基于上一章為基礎(chǔ)對(duì)硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步分析，并且對(duì)硬件各部分電路加以呈現(xiàn)和分析。本系統(tǒng)控制對(duì)象是55LCX-1永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表3-1。針對(duì)要求分別對(duì)電源、PWM波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、鍵盤輸入部分及測(cè)速顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。表3-1 55LCX-1主要技術(shù)指標(biāo)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

27、壓V0.424.2270.141.4920003.1 AT89S51單片機(jī)特性及管腳說明上一章在系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)對(duì)微控制器AT89S51簡(jiǎn)單介紹了，本節(jié)將在上一章的基礎(chǔ)上對(duì)微控制器作詳細(xì)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(chǔ)器； 時(shí)鐘頻率為033MHz； 128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）； 32個(gè)可編程I/O引腳； 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先級(jí)； 全雙工串行通信接口； 監(jiān)視定時(shí)器；低功耗的閑置和掉電模式。圖3-1 AT89S51引腳圖2）AT89SS5

28、1引腳功能介紹，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：?jiǎn)涡酒到y(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端；XTAL2：系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端；RST/VPD：RST是復(fù)位信號(hào)，高電平有效，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。RST的第二功能是備用電源VPD的輸入端。：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位后訪問片內(nèi)存儲(chǔ)器ROM。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器PC的值超過4KB時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外存儲(chǔ)器ROM內(nèi)的程序。當(dāng)端接地保持低電平時(shí)，則只訪問片外程序存儲(chǔ)器，而不管內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器。：地

29、址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許(address latch enable)信號(hào)的輸出用于鎖存低8位地址的控制信號(hào)，此信號(hào)頻率為振蕩器的1/6。當(dāng)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，信號(hào)可用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。端可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。：程序存儲(chǔ)器允許輸出信號(hào)端（program store enable）。此端定時(shí)輸出負(fù)脈沖作為讀片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。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(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而共用64K的定址范圍。端同樣可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。P0口：P0.0P0.7。P0口第一功能是作為通用的I/O口，CPU在

30、傳送輸入/輸出數(shù)據(jù)時(shí)，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(dāng)CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，分時(shí)提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)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(duì)片內(nèi)EPROM編程或校驗(yàn)時(shí)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(dāng)不帶片外存儲(chǔ)器時(shí)，作為通用I/O口；P2口第二功能是當(dāng)帶片外存儲(chǔ)器時(shí)，與P0口配合 ，傳送片外存儲(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)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

31、能 注釋 P3.0 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(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入 P3.5 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入 P3.6 外部RAM寫選通信號(hào) P3.7 外部RAM讀選通信號(hào)3.2 ADC0809特性及管腳說明1）美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(shí)間為100s(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130s（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）單個(gè)+5V電源供電 模擬輸入電壓范圍0+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校

32、準(zhǔn)。 工作溫度范圍為-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(hào)，輸入，高電平有效。 START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)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(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

33、時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。3.3 PWM波形發(fā)生原理本設(shè)計(jì)中PWM波形是用AT89S51單片機(jī)編程實(shí)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路在上一章已經(jīng)選定了使用L298作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，表3-3是L298的引腳功能介紹，圖3-3是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路圖。表3-3 L298的引腳功能引腳符號(hào)功能1SENSEA此兩端與地連接電流檢

34、測(cè)電阻，并向驅(qū)動(dòng)芯片反饋檢測(cè)到的信號(hào)15SENSEB2OUT1此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器A的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載3OUT24Vs電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端5IN1輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器A的開關(guān)7IN26ENA使能控制端.輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)；低電平時(shí)全橋式驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器B的開關(guān)12IN413OUT3此兩腳是全橋式驅(qū)動(dòng)器B的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載14OUT4圖3-3 L298驅(qū)動(dòng)芯片硬件電路單片機(jī)AT89S51輸出的脈寬調(diào)制(

35、PWM)信號(hào)需經(jīng)過功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，本調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是L298驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)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(gè)PWM周期內(nèi)，電機(jī)的電樞只承受單極性的電壓；雙極性工作方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)電機(jī)電樞兩端的電壓呈正負(fù)變化。調(diào)速控制系統(tǒng)采用的是單極性工作方式。單片機(jī)的PWM輸出引腳P3.7接L298的EnA和EnB引腳,它控制著電機(jī)轉(zhuǎn)速大小；單片機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。比較器LM393主要起到了限制過流和保護(hù)L298的作用。LM393的同相端直接連到了一

36、個(gè)可變電位計(jì)上，電位計(jì)的參考電壓是可調(diào)的。調(diào)節(jié)電位計(jì)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(cè)端。當(dāng)檢測(cè)電阻兩端的電壓大于限流電壓時(shí)，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(hù)L298的作用。為了增強(qiáng)L298的驅(qū)動(dòng)能力，本調(diào)速控制系統(tǒng)對(duì)L298的兩路驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了并聯(lián)使用，最大驅(qū)動(dòng)能力可以達(dá)到3A。現(xiàn)在我們可以通過L298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，分析L298實(shí)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、

37、IN3，D為IN2、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(hào)。對(duì)于L298的應(yīng)用，還需要對(duì)采樣電阻R10進(jìn)行選擇。對(duì)R10進(jìn)行選擇，以下幾個(gè)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(huì)自動(dòng)保護(hù)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(dá)到的功耗。在本設(shè)計(jì)中，選用了阻值1.5額定功率5W的電阻保證電機(jī)可正常工作。表3-4 L298對(duì)直流電機(jī)的邏輯真值表 輸入輸出Ven=HC=H；D=L運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，正轉(zhuǎn)Ven=HC=L；D=H運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，反轉(zhuǎn)Ven=LC=；D=運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)制動(dòng)Ven=LC

38、=；D=停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不工作PWM無輸出Ven=；C=；D=運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，電機(jī)制動(dòng)；停止?fàn)顟B(tài)下，電機(jī)不工作3.5 測(cè)速部分第二章已經(jīng)對(duì)測(cè)速傳感器進(jìn)行了選擇，由圖2-8可知CS3020有三個(gè)引腳，其中1腳接電源，2腳接地，3腳接輸出，安裝簡(jiǎn)單方便易用。在電機(jī)的轉(zhuǎn)葉上貼上兩片小磁鋼，那么電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器輸出兩個(gè)脈沖，這樣可測(cè)出被測(cè)對(duì)象的實(shí)際轉(zhuǎn)速。其硬件原理圖如圖3-7所示：圖3-5測(cè)速硬件原理圖CS3020工作原理是將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因其內(nèi)部含穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出級(jí)，故能實(shí)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(duì)于開關(guān)型傳感器的正值規(guī)定是