計算機控制技術(shù)PWM電機速度控制系統(tǒng)設(shè)計方案

計算機控制技術(shù)PWM電機速度控制系統(tǒng)設(shè)計方案1/3《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計姓名：學(xué)號：系別：專業(yè)：班級：指導(dǎo)教師：二○一一年十二月十六日目錄4K字節(jié)可編程閃爍存儲器,可擦除的的只讀存儲器(PEROM>,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器.AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案.三級程序存儲器鎖定、128*8位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路：電路框圖如圖2圖2電路組成框圖方案分析：方案一只能以減小所給電壓值而能使電動機的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)的減小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及時的從電動機那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動速度，而是直接從程序哪兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼顯示。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實性。方案三在可操作性與實時性方面都都結(jié)合了本專業(yè)特點，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用本學(xué)科特點。所以，設(shè)計采用方案三。3.1.2設(shè)計模塊方案比較與分析電機調(diào)速控制模塊：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，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)計采用方案三。3.2設(shè)計方案的圖表<一）PWM波軟件軟件設(shè)計程序流程圖：產(chǎn)生矩形波開始產(chǎn)生矩形波開始按鍵查詢OPEN是否按下時定時器T0開始計時Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是否按下是減小矩形波占空比Swap或close是否按下改變轉(zhuǎn)向或關(guān)閉電機軟件電機控制的方框圖<二）測速軟件設(shè)計開始開始初始化OPEN是否按下定時器T1開始計時對單位時間內(nèi)的脈沖計數(shù) N根據(jù)公式計算出電機的速度液晶顯示電機速度軟件測速的方框圖<一）電路原理圖LCD顯示電路<二）霍爾傳感器的電路原理圖霍爾傳感器的測速電路<三）直流電機的調(diào)速功能仿真當(dāng)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(dāng)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(dāng)電機不工作時，則按下close鍵。直流電機調(diào)速系統(tǒng)的Proteus仿真圖1．調(diào)速前的波形圖電機啟動時的脈沖波形占空比2．調(diào)速后的波形圖電機減速后的脈沖波形占空比<四）電機速度的測量并顯示功能仿真對電機轉(zhuǎn)速的顯示，為使用者提供了更為直觀的界面。用戶可以根據(jù)液晶顯示屏上的數(shù)字，調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，為調(diào)速提供了方便。從顯示數(shù)字的穩(wěn)定程度，也可以判斷電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。若顯示數(shù)字幾乎不變，則說明電機工作十分穩(wěn)定；與之相反，顯示數(shù)字不停地變化，則說明電機工作非常不穩(wěn)定。直流電機系統(tǒng)的Proteus仿真<五）系統(tǒng)的電路原理圖直流電機調(diào)速系統(tǒng)的Protel原理圖由電源模塊、單片機控制單元、電機驅(qū)動電路、LCD顯示電路、霍爾傳感器電路構(gòu)成。<六）系統(tǒng)的PCB圖3.3論述方案的各部分工作原理3.3.18051單片機的基本組成8051單片機由CPU和8個部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：圖2-28051基本結(jié)構(gòu)圖2．CPU及部分部件的作用功能介紹如下中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：8051芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內(nèi)部RAM。內(nèi)部程序存儲器：8051芯片內(nèi)部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內(nèi)部ROM。定時器：8051片內(nèi)有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結(jié)果對計算機進行控制。中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。3.8051單片機引腳圖圖2-38051單片機引腳圖3.3.2PWM的基本原理PWM<脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖2-8所示：圖2-8PWM方波設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為Va=Vmax*D，其中Va指的是電機的平均速度；Vmax是指電機在全通電時的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴格來說，平均速度Vd與占空比D并非嚴格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。3.3.3PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理1．?dāng)?shù)據(jù)比較器具有數(shù)據(jù)比較功能的芯片有74LS6828，74LS6838等8位數(shù)值比較器，4位數(shù)值比較器4585等。本PWM發(fā)生電路通過兩片4位數(shù)值比較器4585就可實現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生，因此選用4585作為信號發(fā)生電路。芯片4585的引腳圖：圖2-104585引腳圖圖2-104585引腳圖2．串行計數(shù)器系統(tǒng)PWM信號發(fā)生電路中還使用到一片串行計數(shù)器，有串行計數(shù)功能的芯片有4024、4040等，它們具有相同的電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能，但4024是7位二進制串行計數(shù)器，而芯片4040是一個12位的二進制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)。當(dāng)CR為高電平時，它對計數(shù)器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對脈沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。本系統(tǒng)使用4040作為串行計數(shù)器，芯片4040的引腳圖如圖2-11所示：圖2-114040引腳圖圖2-114040引腳圖3.3.4H橋驅(qū)動電路圖2-1所示的H橋式電機驅(qū)動電路包括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。如圖1.1-1所示，要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)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。圖4H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(dǎo)通。例如，如圖2-2所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)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(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)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5H橋驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動圖2-3所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)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）。圖6H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動3.3.5霍爾傳感器的工作原理霍爾效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體薄片上，其長度為l，寬度為b，厚度為d,當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)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(dǎo)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V＝NT。3.3.6PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖及參數(shù)計算圖3-1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖圖3-1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖3.4相關(guān)的計算3.4.1PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關(guān)系如下:Kn=Rn/R0Γn=Rn/CnTon=1/4R0*Con參數(shù)求法：電動機P=10KWU=220VI=55An=1000轉(zhuǎn)/分電樞電阻R=0.5歐姆取濾波電路中Ro=40千歐Rn=470千歐Cn=0.2uFCon=1uF則：Umax=220VUmin=<220/0.9）*0.5=122VYi-1=0W=1000轉(zhuǎn)/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1253.4.2相關(guān)程序#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitopen=P2^0。sbitclose=P2^1。sbitswap=P2^2。sbitsub_speed=P2^3。sbitadd_speed=P2^4。sbitPWM1=P3^0。sbitPWM2=P3^1。/************************液晶顯示*************/sbitE=P3^7。sbitRW=P3^6。sbitRS=P3^5。sbittest=P3^4。inttime=0。inthigh=20。intperiod=30。intchange=0。intflag=0。intnum_medium=0。intnum_display=0。intcount_speed=0。ucharwword[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39}。/*******************延時t毫秒****************/voiddelay(uchart>{ uinti。 while(t> { /*對于11.0592MHz時鐘，延時1ms*/for(i=0。i<125。i++>。t--。 }}//寫命令函數(shù)LCDvoidwc51r(ucharj>{ RS=0。 RW=0。P1=j。 E=1。 E=0。 delay(3>。}//寫數(shù)據(jù)函數(shù)LCDvoidwc51ddr(ucharj>{RS=1。 RW=0。P1=j。 E=1。 E=0。 delay(2>。}//初始化函數(shù)LCDvoidinit(>{ wc51r(0x01>。//清屏 wc51r(0x38>。//使用8位數(shù)據(jù)，顯示兩行，使用5*7的字型wc51r(0x0c>。//顯示器件，光標(biāo)開，字符不閃爍 wc51r(0x06>。//字符不動，光標(biāo)自動右移一格}/***********8T0中斷服務(wù)程序************PWM波的生成**********/voidtime0_int(void>interrupt1{ time++。//time為中斷次數(shù) TH0=0xec。 TL0=0x78。 if(change==0>{PWM2=1。 if(time==high>//high次中斷后電平由高電平變成高電平PWM1=0。 elseif(time==period>//period相當(dāng)于周期，保持不變的{ PWM1=1。time=0。}} else{PWM1=1。 if(time==high> PWM2=0。 elseif(time==period> { PWM2=1。 time=0。 }} }/****T1中斷服務(wù)程序********單位時間<S）方波的個數(shù)*************/voidtime1_int(void>interrupt3{count_speed++。if(count_speed==20> {count_speed=0。num_display=num_medium。num_medium=0。}}/************************速度顯示的數(shù)據(jù)處理*********************/voiddatamade(>{uintdataMM,NN。wc51r(0xc2>。wc51ddr('S'>。 wc51ddr('p'>。 wc51ddr('e'>。 wc51ddr('e'>。 wc51ddr('d'>。wc51ddr(0x3a>。NN=num_display%100。MM=num_display/100。wc51ddr(wword[MM]>。MM=NN/10。NN=NN%10。wc51ddr(wword[MM]>。wc51ddr(wword[NN]>。}/**********通過按鍵實現(xiàn)對電機開關(guān)、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的控制***************/voidmotor_control(>{ if(open==1> EA=1。if(close==1> EA=0。if(swap==1>{ change=~change。 while(swap!=0>{}} if(sub_speed==1> {high++。//改變high來改變占空比if(high==30> EA=0。 while(sub_speed!=0> {} }if(add_speed==1> {high--。 if(high==5>high=5。 while(add_speed!=0> {} } }/***************************主函數(shù)*********************************/voidmain(> { P2=0x00。 ET0=1。//to中斷允許位 ET1=1。 TMOD=0x11。 TH0=0xec。//定時器T0設(shè)置參數(shù) TL0=0x78。 TH1=0x3c。//定時器T1設(shè)置參數(shù) TL1=0xb0。 TR0=1。 TR1=1。 init(>。//液晶顯示初始化程序 while(1> { wc51r(0x84>。 wc51ddr('H'>。 wc51ddr('e'>。 wc51ddr('l'>。 wc51ddr('l'>。 wc51ddr('o'>。if(test==0>num_medium++。datamade(>。motor_control(>。}}3.5編寫設(shè)計說明書直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能