基于單片機(jī)PWM控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速課程設(shè)計(jì)

-3-培黎機(jī)械工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告（2022-2023學(xué)年第二學(xué)期）課程：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)踐題目：基于單片機(jī)PWM控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速

目錄培黎機(jī)械工程學(xué)院 -1-課程：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)踐 -1-一、摘要 -3-二、設(shè)計(jì)目的和意義 -3-三、設(shè)計(jì)原理 -4-1.PWM基本原理 -4-2．直流電機(jī)PWM調(diào)速基本原理 -4-3.實(shí)現(xiàn)原理 -5-4、實(shí)現(xiàn)思路 -5-四、硬件設(shè)計(jì) -5-1、硬件模塊組成 -6-2、AT89C52主要性能 -8-3、L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介 -9-4、L298內(nèi)部原理圖 -9-五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -9-六、心得體會(huì) -14-

一、摘要脈沖寬度調(diào)制PWM(PulseWidthModulation),就是指保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用AT89C52集成PWM控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置。電機(jī)的種類繁多，如果按電源類型分，可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)兩大類。常見(jiàn)的直流電機(jī)包括有刷電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。直流有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。歷來(lái)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件，在軋鋼及其輔助機(jī)械、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、大型起重機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、紡織機(jī)械等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。換向器是直流電機(jī)的主要薄弱環(huán)節(jié),它使直流電機(jī)的單機(jī)容量、過(guò)載能力、最高電壓、最高轉(zhuǎn)速等重要指標(biāo)都受到限制,也給直流電機(jī)的制造和維護(hù)添了不少麻煩。然而，鑒于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的理論和實(shí)踐都比較成熟，直流電機(jī)仍在廣泛的使用。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，在應(yīng)用和完善直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的同時(shí)，人們一直不斷

在研制性能與價(jià)格都趕得上直流系統(tǒng)的交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)，近年來(lái)，在微機(jī)控制和電力電子變頻裝置高度發(fā)展之后，這個(gè)愿望終于有了實(shí)現(xiàn)的可能。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行、設(shè)備制造方便、價(jià)格低廉;但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能,所以目前極少采用。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。20世紀(jì)30年代末期，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。二、設(shè)計(jì)目的和意義在當(dāng)今的社會(huì)生活中，電子科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用越來(lái)越深入到了各行各業(yè)之中，并得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，自動(dòng)化控制系統(tǒng)更是得到了廣泛的應(yīng)用，其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。相較于交流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、制造困難且不容易維護(hù)，但由于直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力強(qiáng)，適宜在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自調(diào)速系統(tǒng)中的重要形式。而伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)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)出了很大的優(yōu)越性，主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少，開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右;若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)，功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高;直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對(duì)電源的污染，而且使控制過(guò)程更簡(jiǎn)單方便，減少了對(duì)人力資源的使用，又因?yàn)榫€路的簡(jiǎn)單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護(hù)、維修變得更加簡(jiǎn)單了。三、設(shè)計(jì)原理1.PWM基本原理脈沖寬度調(diào)制(PWM)是--種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(wú)(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。簡(jiǎn)而言之，就是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加;電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持穩(wěn)定值。2．直流電機(jī)PWM調(diào)速基本原理PWM方式是在大功率開(kāi)關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t,改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器。集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，能達(dá)到比較理想的檢測(cè)效果。圖SEQ圖\*ARABIC1直流電動(dòng)機(jī)PWM系統(tǒng)原理圖3.實(shí)現(xiàn)原理51單片機(jī)可以通過(guò)編程控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，其原理是利用單片機(jī)的數(shù)字輸出口來(lái)控制H橋電路，通過(guò)改變終極電壓的正負(fù)極性和大小控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向。4、實(shí)現(xiàn)思路（1）、連接H橋電路，將電機(jī)的兩個(gè)引腳分別連接到H橋電路的兩個(gè)輸出端，使用單片機(jī)的幾個(gè)GPIO引腳控制H橋電路的輸入位置。（2）、編寫(xiě)控制程序，編寫(xiě)單片機(jī)控制程序，通過(guò)需要改變電壓的正負(fù)極和大小，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。例如，當(dāng)需要控制電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)使輸入1引腳為高電平，輸入引腳為低電平，反轉(zhuǎn)時(shí)則相反。（3）、選取合適的PWM波通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)占空比，即高電平占整個(gè)周期的時(shí)間比例，可以有效地改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，占空比越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。四、硬件設(shè)計(jì)圖SEQ圖\*ARABIC2硬件框圖1、硬件模塊組成（1）、單片機(jī)最小系統(tǒng)圖SEQ圖\*ARABIC3單片機(jī)最小系統(tǒng)（2）、按鍵模塊圖SEQ圖\*ARABIC4按鍵模塊（3）、數(shù)碼管圖SEQ圖\*ARABIC5數(shù)碼管（4）、H橋電路圖SEQ圖\*ARABIC6H橋電路（5）、L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊圖SEQ圖\*ARABIC7L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（6）、單片機(jī)整個(gè)控制模塊圖SEQ圖\*ARABIC8單片機(jī)整個(gè)控制模塊原理為:直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、LED顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤(pán)作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形,H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)和急?？刂?同時(shí)單片機(jī)不停的將PWM脈寬調(diào)制占空比送到LED數(shù)碼管完成實(shí)時(shí)顯示。2、AT89C52主要性能AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；1000次擦寫(xiě)周期；全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；32個(gè)可編程I/O口線；三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；八個(gè)中斷源；全雙工UART串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門(mén)狗定時(shí)器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識(shí)符。3、L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介L(zhǎng)298是SGS公司的產(chǎn)品，L298N為15個(gè)管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用L298N來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá))和開(kāi)關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；Vs電壓最大值也是36V。L298N可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路，可以驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)。4、L298內(nèi)部原理圖圖SEQ圖\*ARABIC9L298內(nèi)部原理圖五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)#include<reg52.h>sbitENA=P1^0;sbitMotor1=P2^0;sbitMotor2=P2^1;/*按鍵引腳定義*/sbitKEY1=P1^1;sbitKEY2=P1^2;sbitKEY3=P1^3;sbitKEY4=P1^4;/*位選引腳定義*/sbitLED1=P1^5;sbitLED2=P1^6;charflag=1;flag_set=0;unsignedcharNumTable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};unsignedchardisbuff[2]={0,0};unsignedintCounter,Compare=30; voidDelay(unsignedchari){ while(i--);}voidCount(){ disbuff[0]=NumTable[Compare/10]; disbuff[1]=NumTable[Compare%10];}voidDisplay(){ LED1=0;LED2=1; P0=disbuff[0]; Delay(5); P0=0x00; LED1=1;LED2=0; P0=disbuff[1]; Delay(5); P0=0x00;}voidKEY(){ if(KEY1==0) { Delay(10); if(KEY1==0){ flag++; if(flag>=2){ flag=0; } }while(!KEY1); } if(KEY2==0) { Delay(10); if(KEY2==0){ flag_set++; if(flag_set>=2){ flag_set=0; } }while(!KEY2); } if(KEY3==0) { Delay(10); if(KEY3==0){ Compare=Compare+1; if(Compare>=100){ Compare=0; } }while(!KEY3); } if(KEY4==0) { Delay(10); if(KEY4==0){ Compare=Compare-1; if(Compare<=0){ Compare=100; } }while(!KEY4); }}voidTimer0_Init(void){ TMOD&=0xF0; //設(shè)置定時(shí)器模式 TMOD|=0x01; //設(shè)置定時(shí)器模式 TL0=0x9C; //設(shè)置定時(shí)初值 TH0=0xFF; //設(shè)置定時(shí)初值 TF0=0; //清除TF0標(biāo)志 TR0=1; //定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí) ET0=1; EA=1; PT0=0;}voidmain(){ Timer0_Init(); ENA=0; while(1) { KEY(); Count(); Display(); }}voidTimer0_Routine()interrupt1{ TL0=0x9C; TH0=0xFF; Counter++; 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