直流電機PWM調(diào)速器設計

1、課程設計任務書目錄 TOC o 1-5 h z 摘 要21直流電機31.1直流電機特性31.2直流電機的原理31.3直流電機的主要技術參數(shù)31.4直流電機調(diào)速技術指標32單片機的相關知識42.1單片機簡介42.2單片機的特點4 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2.3 AT89C51單片機介紹53硬件電路設計6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3.1 PWM波形的程序?qū)崿F(xiàn)63.2直流電動機驅(qū)動 73.3續(xù)流電路設計 84軟件設計94.1主程序設計94.2數(shù)碼顯數(shù)設計 104.3功能程序設計104

2、.4仿真圖134.5仿真結(jié)果分析 1515學習心得體會參考文獻16摘要本文是對直流電機PWM調(diào)速器設計的研究，主要實現(xiàn)對電機的控制。為實現(xiàn)系統(tǒng) 的微機控制，在設計中，采用了 AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部 分，配以各種顯示、驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量；由命令輸入模塊、 光電隔離模塊及H型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在 過程控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動電路完成電機正反轉(zhuǎn)控制. 在設計中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動機的電樞電壓， 進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設計的整個控制系統(tǒng)，在硬件

3、結(jié)構上采用了大量的集成電路模 塊，大大簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。 關鍵詞 :AT89C51單片機；PWM調(diào)速；正反轉(zhuǎn)控制1直流電機1.1直流頓機特性直流電動機具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，優(yōu)異的動態(tài)特性。目前仍然 是大多數(shù)調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇。近年來隨著計算機進入控制領域，以及PWM控制 方式成為主流。應用單片機技術和脈寬調(diào)制技術對直流電動機進行調(diào)速控制，是各種智能 化產(chǎn)品的首選方案。如今，計算機軟件和硬件技術的快速發(fā)展，在許多領域都有成熟的仿 真軟件在應用。Inter公司推出的Proteus是一套基于標準仿真弓I擎的電路分析、實物仿

4、真系統(tǒng)。該軟件具有交互式動畫仿真，基于圖形的仿真和基于微控制器的仿真三種模式。 其最大的特點就在于它能夠仿真單片機及其外圍芯片。通過Proteus軟件仿真可以更好地 幫助學生及工程師運用單片機技術進行計算機控制系統(tǒng)的設計。1.2直流電機工作原理直流電機模型如圖1.2所示，磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體 表面固定線圈abcd。當線圈流過電流時，線圈受到電磁力作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定 則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受力方向也將改變，因此通過改變線圈電 流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機的方向。圖1.2直流電動機電路模型1.3直流電機主要技術參轂1直流電機工作額定功率Pn :在額定

5、電流和電壓下，電機負載能力。額定電壓Ue :長期運行的最高電壓。額定電流Ie :長期運行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n:單位時間的電機轉(zhuǎn)動快慢。勵磁電流If:施加到電極線圈上的電流。1.4直流電機調(diào)速技術指標調(diào)速匚二1 二調(diào)速圍是指在一定的負載轉(zhuǎn)矩下，電動機可能運行的最大轉(zhuǎn)速nmax與最小轉(zhuǎn)速nmin之比，即nD =maxnmin調(diào)速的相對穩(wěn)定性和靜差度所謂相對穩(wěn)定性，是指負載轉(zhuǎn)矩在給定的圍變化時所弓I起的速度的變化，它決定于機 械特性的斜率。靜差度(又稱靜差率)是指當電動機在一條機械特性上運行時，由理想空載到滿載時的轉(zhuǎn)5 =坐 x 100%速降落與理想空載轉(zhuǎn)速no的比值，用百分數(shù)表示，即n0，在般情

6、況下，取額定轉(zhuǎn)矩下的速度落差八，有An5 = N x 100%n0調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性是指在一定的調(diào)速圍，相鄰兩級速度變化的程度，用平滑系數(shù)中表示， 即n9 =ni-1式中七和ni-1相鄰兩級，即i級與i-1級的速度。調(diào)速時的容許輸出調(diào)速時的容許輸出是指電動機在得到充分利用的情況下，在調(diào)速過程中軸能夠輸出的 功率和轉(zhuǎn)矩。2單片機識的相關知識2.1單片機簡介單片機全稱為單片機微型計算機(Single Chip Microsoftcomputer)。從應用領域來 看，單片機主要用來控制，所以又稱為微控制器(Microcontroller Unit)或嵌入式控制 器。單片機是將計算機的基本部件微

7、型化并集成在一塊芯片上的微型計算機。2.2單片機的特點1 .單片機的存儲器ROM和RAM時嚴格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲器，只存放程序， 固定常數(shù)，及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。2.采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是 單片機具有很強的位處理能力。3 .單片機的I/O 口通常時多功能的。由于單片機芯片上弓|腳數(shù)目有限，為了解決實際引 腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復用的方法，引腳處于何種功能，可由指令 來設置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。4.單片機的外部擴展能力很強。在部的各種功能部件不能滿足應用的需求時，均可在外 部進行擴展

8、，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應用系統(tǒng)設計帶來了很大的方便。2.3 AT89C51單片機介紹VCC :供電電壓。GND :接地。P0 口： P0 口為一個8位漏級開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1 口的 管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定 義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗 時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1 :P1 口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL 門電流。P1 口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部

9、下拉為低電平 時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地 址接收。P2 : P2 口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4個 TTL門電流，當P2 口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作 為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2 口當用于 外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在 給出地址“1”時，它利用部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1XTAL2P0

10、.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P1.2P3.1/TXB-P3.2/INT0P1.3P1.4P3.3/INT1P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P1.7P3.6/WR- P3.7/RDU418281617-3399897-969534399223 2425 26-QZZ-5-8101914AT89C51圖2.1 89C51單片機寄存器的容。P2 口

11、在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 : P3 口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL門電流。 當P3 口寫入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為 低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳備選功能P3.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0 （外卜部中斷0）P3.3 /INT1（夕卜部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR （外卜部數(shù)據(jù)存儲器寫選

12、通）P3.7 /RD （夕卜部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST :復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG :當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出 正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目 的。然而要注意的是 海當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是A

13、LE 才起作用。另外，該弓I腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN :外部程序存儲器的選通信號。在由外卜部程序存儲器取指期間，每個機器周期 兩次/PSEN有效。但在訪問夕卜部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP :當/EA保持低電平時，則在此期間夕卜部程序存儲器(0000H-FFFFH ),不管 是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET ；當匹入端保持高電平 時，此間部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP )。3硬件電路設計3.1 PWM波形的程序?qū)岻改變占空比可以改變電樞端電

14、壓，改變占空比的方法有3種，即定寬調(diào)頻法，調(diào)寬調(diào) 頻法和定頻調(diào)寬法，前兩種方法均改變了信號的頻率，當頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時，將 引起振蕩，故應用較少。目前在直流電動機的控制中以PWM控制方式為主PWM信號的 產(chǎn)生通常有兩種途徑。傳統(tǒng)的方法是利用硬件電路實現(xiàn)。隨計算機技術及電力電子技術的 發(fā)展，PWM波形采用軟件方法實現(xiàn)顯得非常靈活和實用以89C51單片機為控制核心，晶 振頻率為12MHz定 時計數(shù)器TO,T1作定時器使用，工作在方式1,定時時間為0.1ms , 若PWM波形的頻率為50 Hz，占空比為1:1,則和R0載人30H和31H單元的值初 始100,若在程序中利用按鍵產(chǎn)生中斷調(diào)用來改變

15、30H和31H單元的值就可以改變占空比. 系統(tǒng)流程圖如圖2所示:圖2、程序流程圖3.2直流電動機驅(qū)動在直流電動機的驅(qū)動中對大功率的電動機常采用IGBT作為主開關組件，對中小功率 的電機常采用功率場效應管作為主開關組件.另夕卜還可以采用集成電路來完成對電機的驅(qū) 動系統(tǒng)采用集成電路L298來驅(qū)動電機匚 no寫C.仁 no寸 Lno圖3、L298部結(jié)構和功能弓I腳圖L298是雙H高電壓大電流功率集成電路.直接采用L邏輯電平控制，可以驅(qū)動繼電 器、直流電動機、步進電動機等電感性負載。其部有兩個完全相同的功率放大回路。其 部結(jié)構和引腳功能如圖3所示。表3.1 L298引腳符號及功能引腳功能SENSA、S

16、ENSB分別為兩個H橋的電流反饋腳，不用時可以直接接地ENA、ENB使能端，輸入PWM信號IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，TTL邏輯電平信號OUT1、OUT2、OUT3、OUT4輸出端，與對應輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源，4.57VVSS電棚區(qū)動電源，最小值需比輸入的低電平電壓高GND地當使能端為高電平時，輸入端IN1為PWM信號,IN2為低電平信號時，電機正轉(zhuǎn)；輸入端 IN1為低電平信號，IN2為PWM信號時，電機反轉(zhuǎn);IN1與IN2相同時，電機快速停止。 當使能端為低電平時，電動機停止轉(zhuǎn)動。3.3續(xù)流電路設計由于電機具有較大的感性，電流不能突變，若突然將電流切斷，將在功率管兩端產(chǎn)生

17、 很高的電壓，損壞器件。我們在此電路中應用的是二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)?性。二極管的選用要根據(jù)PWM的頻率和電機的電流來決定，二極管要有足夠迅速的恢復 時間和足夠的電流承受能力。由于電機具有較大的感性，電流如果突變易損壞功率胳即L298芯片。為保護芯片加 上洗續(xù)流電路。電路的工作原理替如圖3.7所示。電路的工作原理：當電機正轉(zhuǎn)時，若突然掉電，D1、D4導通，D2、D3截止；當電機反轉(zhuǎn)時，突然掉 電D2、D3導通，D1、D4截止。圖3.7續(xù)流電路工作原理圖4軟件設計4.1主程序設計主程序不斷的循環(huán)處于等待該主程序主要完成初始化，設置定時常數(shù)和中斷入口程序中斷狀態(tài)。ORG 0000HAJ

18、MP STARTORG 0003HLJMP INT0ORG 000BHLJMP ITT0ORG 0030HSTART: MOV SP#60HMOV R0,#00HMOV R1,#00HCLR P1.5CLR P1.6CLR P1.7MOV TMOD,#01HMOV TL0,#0FFHMOV TH0,#0FFHSETB EA；系統(tǒng)初始化；賦初值；給R0送值0；給R1送值0；置0；置0；置0；寫控制字；置定時常數(shù)；允許中斷；允許外部中斷0SETB EX0SETB ET0；允許TL0中斷；啟動TL0CLR IT0SETB TR0圖4.1主流程圖4.2數(shù)碼顯數(shù)設計通過P1.1，P1.2 口來控制數(shù)碼，

19、顯示通過查表和調(diào)用延時實現(xiàn)數(shù)的顯示 程序代碼：MOV DPTR,#TABMOV 40H,#0；置0MOV 41H,#0；置0LED: SETB P1.1； P1.1 置 1CLR P1.2MOV A,40H；P1.2 清 0；將40H的容送往AMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTSCLR P1.1SETB P1.2MOV A,41HMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL TTSCLR P1.2LJMP LEDORG 2000HTAB: DB 40H,79H,24H,30H,19HDB 12H,02H,78H,00H,10H4.3功能程序設計；查表所得A值送往

20、P0 口 ；調(diào)用延時；P1.1 清 0;P1.2 置 1；將41H的容送往A；查表；查表所得A值送往P0 口 ；調(diào)用延時；P1.2 口清 0；跳轉(zhuǎn)到LED程序代碼：ITT0: CPL P1.5JNB P1.5,Z1MOV A,#0FFHSUBB A,R0MOV TH0,ASETB TR0RETIZ1:MOV TH0,R0SETB TR0RETIINT0:CLR EX0；P1.5 口取反；低電平定時；啟動TL0；高電平定時；實現(xiàn)鍵盤控制結(jié)束中斷后轉(zhuǎn)入相應的功能鍵程序，為加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、暫停MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,JIAJNB ACC.1,

21、JIANJNB ACC.2,FF圖4.2數(shù)碼顯示流程圖圖4.3中斷子程序流程圖JNB ACC.3,ZZJNB ACC.4,TZAJMP CCJIA: CJNE R0,#0FFH,AA ；實現(xiàn)電機加速AJMP CCAA: MOV A,R0ADD A,#25MOV R0,AAJMP CCJIAN: CJNE R0,#00,BB；實現(xiàn)電機減速AJMP CCBB: MOV A,R0SUBB A,#25MOV R0,AAJMP CCCC: MOV A,R0MOV B,#25DIV ABMOV B,#10DIV ABMOV 40H,AMOV 41H,BSETB EX0LCALL TTSLCALL TTSL

22、CALL TTSLCALL TTSRETIFF: SETB P1.6CLR P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETIZZ:CLR P1.6SETB P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETITZ: CLR P1.6；數(shù)碼顯數(shù)；調(diào)用延時；調(diào)用延時；調(diào)用延時；調(diào)用延時；電機反傳；電機正轉(zhuǎn)；實現(xiàn)電機停止CLR P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETI；延時子程序TTS: MOV R3,#0E0HTT1S: MOV R4,#40HTT0S: DJNZ R4,TT0SD

23、JNZ R3,TT1SRETEND4.4仿真在該設計中，利用Proteus軟件進行仿真。Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電 路分析與仿真軟件。運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE )數(shù)字電路、模 擬電路、數(shù)?；旌想娐罚悄壳拔ㄒ荒軐崿F(xiàn)對51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器的 仿真軟件。最后，點擊運行按鈕，啟動系統(tǒng)仿真，圖中電機處于初始化狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖4.4所示。iZniZDO - ISIS Prcfe3nnfll (AnistinE)(X|Eile V： t E.di t Ir-ols Helcdl 寶ap由 Sxur ee 或y Litru

24、y T efiplatt 鈕stm JjtlpE婿 崗昌三四德甲中改跋翅赫 A I %毛.I X IJ西船 S 藝日宓1N4O03DEVIEEE7SEGMPX2CAEGPX2-CA-BLUE7SEQ-HPK2-CC-BLUE74EG5AND_5A7S9C51BUTTONL29BMDTDR-ENEDDERRESPACKBRP l 5KRESPJCKt：行心IPDjDJAQi FD.1網(wǎng)I FU版 F0.3JjHE FE心 POAm m&m； Pfl.PJjiiDFPi 2部 rajPZ jf.fij D P找歸H P2HJ? PU/AJS puarAj PI.7rAJ5PiUfRHD 用 1-TID PSiiTBTO PS.SilHTiPS.lTD F?.ftTIP-J 5W PW而C 0 I M IM II. L nrum.l ANIMAT NG: OO.D1.11.313535 (CFU oad ?7%單片.(E-1.苴窗一哄滯遂.，也 Sf卻.I5E 2MTZ.防危4R J - EO：nq：相應電機的顯示如圖4.5所示圖4.5仿真結(jié)果24.5仿真結(jié)果分析當仿真開始運行時，各個模塊處于初始狀態(tài)。點擊右邊的獨立鍵盤加速或是減速按鈕。 顯示模塊便開始顯示數(shù)字，然后點擊正傳或是反轉(zhuǎn)。電機的驅(qū)動模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電