完整word版PWM波直流电机速度调节系统.docx

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完整word版PWM波直流电机速度调节系统

课程设计

设计题目：

PWM波直流电机速度调节系统

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指导老师：

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一引言1

1.1开发背景2

1.2数字控制器D（z）5

2.38051单片机简介……………………………………………………………

摘要：

在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。

在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制（PWM）直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能。

关键字：

80c51单片机；PWM调速技术；直流电动机

一引言

1.1开发背景

1绪论

1.1课题的研究背景和意义

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。

由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电动机（如交流变频电机、步进电机等）的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。

近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。

随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。

这控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。

五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。

首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组（简称G-M系统）及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），使得变流技术产生了根本的变革。

再到脉宽调制，变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。

另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。

随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。

由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。

技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调、速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位。

目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。

姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。

该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。

张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。

该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。

董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。

经1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。

由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。

所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。

而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。

所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

1.2数字控制器D（z）

假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D（z）,

二直流电动机调速概述

2.1直流电机调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。

但是对于直流电动机的转速有以下公式：

n=U/Cc

-TR内/CrCc

其中：

U—电压；

—励磁绕组本身的电阻；

—每极磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。

磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。

所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

图1-1直流电机的工作原理图

电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。

在工业生产中广泛使用其中脉宽调制（PWM）应用更为广泛。

脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图

根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为

，占空比为D=

/T，则电机的平均速度为：

，可见只要改变占空比D，就可以得

到不同的电机速度，从而达到调速的目的。

2.2直流调速系统实现方式

PWM为主控电路的调速系统：

基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压

不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。

改变占空比D的值有三种方法：

A、定宽调频法：

保持

不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。

B、调宽调频法：

保持t不变，只改变

，这样使周期（或频率）也随之改变。

C、定频调宽法：

保持周期T（或频率）不变，同时改变

和t。

2.38051单片机简介

1．8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

8051基本结构图

2．8051单片机引脚图

8051单片机引脚图

三硬件电路设计

本系统采用80C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。

3.1PWM波形的程序实现

随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：

1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：

图2-1程序流程图

3.2直流电动机驱动

在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机

L298内部结构和功能引脚图

L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。

其内部有两个完全相同的功率放大回路。

L298引脚符号及功能

SENSA、SENSB：

分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地

ENA、ENB：

使能端，输入PWM信号

IN1、IN2、IN3、IN4：

输入端，TTL逻辑电平信号

OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：

输出端，与对应输入端同逻辑

VCC：

逻辑控制电源，4.5~7VGND:

地

VSS：

电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高

当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。

当使能端为低电平时,电动机停止转动。

3.3续流电路设计

由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。

我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。

二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。

由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。

为保护芯片加上洗续流电路。

电路的工作原理替如图3.7所示。

电路的工作原理：

当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。

续流电路工作原理图

四软件设计

4.1主程序设计

该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.

ORG0000H

AJMPSTART

ORG0003H

LJMPINT0；T0中断

ORG000BH

LJMPITT0；T1中断

ORG0030H；系统初始化

START:

MOVSP,#60H；赋初值堆栈指针

MOVR0,#00H；给R0送值0

MOVR1,#00H；给R1送值0

CLRP1.5；置0

CLRP1.6；置0

CLRP1.7；置0

MOVTMOD,#01H；写控制字控制方式

MOVTL0,#0FFH；置定时常数

MOVTH0,#0FFH

SETBEA；允许中断

SETBEX0；允许外部中断0

SETBET0；允许TL0中断

CLRIT0

SETBTR0；启动TL0

图3-1主流程图

4.2数码显数设计

通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示

程序代码：

MOVDPTR,#TAB

MOV40H,#0；置0

MOV41H,#0；置0

LED:

SETBP1.1；P1.1置1

CLRP1.2；P1.2清0

MOVA,40H；将40H的内容送往A

MOVCA,@A+DPTR；查表

MOVP0,A；查表所得A值送往P0口

LCALLTTS；调用延时

CLRP1.1；P1.1清0

SETBP1.2；P1.2置1

MOVA,41H；将41H的内容送往A

MOVCA,@A+DPTR；查表

MOVP0,A；查表所得A值送往P0口

LCALLTTS；调用延时

CLRP1.2；P1.2口清0

LJMPLED；跳转到LED

ORG2000H

TAB:

DB40H,79H,24H,30H,19H

DB12H,02H,78H,00H,10H

4.3功能程序设计

结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停

程序代码：

ITT0:

CPLP1.5；P1.5口取反

JNBP1.5,Z1

MOVA,#0FFH；低电平定时

SUBBA,R0

MOVTH0,A

SETBTR0；启动TL0

RETI

Z1:

MOVTH0,R0；高电平定时

SETBTR0

RETI

INT0:

CLREX0；实现键盘控制

MOVA,#0FFH

MOVP2,A

MOVA,P2

JNBACC.0,JIA

JNBACC.1,JIAN

JNBACC.2,FF

图3-2数码显示流程图图3-3中断子程序流程图

JNBACC.3,ZZ

JNBACC.4,TZ

AJMPCC

JIA:

CJNER0,#0FFH,AA；实现电机加速

AJMPCC

AA:

MOVA,R0

ADDA,#25

MOVR0,A

AJMPCC

JIAN:

CJNER0,#00,BB；实现电机减速

AJMPCC

BB:

MOVA,R0

SUBBA,#25

MOVR0,A

AJMPCC

CC:

MOVA,R0；数码显数

MOVB,#25

DIVAB

MOVB,#10

DIVAB

MOV40H,A

MOV41H,B

SETBEX0

LCALLTTS；调用延时

LCALLTTS；调用延时

LCALLTTS；调用延时

LCALLTTS；调用延时

RETI

FF:

SETBP1.6；电机反传

CLRP1.7

LCALLTTS

LCALLTTS

LCALLTTS

SETBEX0

RETI

ZZ:

CLRP1.6；电机正转

SETBP1.7

LCALLTTS

LCALLTTS

LCALLTTS

SETBEX0

RETI

TZ:

CLRP1.6；实现电机停止

CLRP1.7

LCALLTTS

LCALLTTS

LCALLTTS

SETBEX0

RETI

TTS:

MOVR3,#0E0H；延时子程序

TT1S:

MOVR4,#40H

TT0S:

DJNZR4,TT0S

DJNZR3,TT1S

RET

END

4.4仿真图

在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。

仿真结果如图3-4所示:

图3-4仿真图

相应电机的显示如图3-5所示

图3-5仿真结果

4.5仿真结果分析

当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。

点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。

显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。

电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。

且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。

因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。

五心得体会

通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。

不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。

在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：

直流电机PWM调速、80C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。

在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。

通过求助于殷老师、理清了思路。

同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了课程设计中的道道难题。

最后经过指导老师张老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。

办事只要有了头绪，就会简单很多。

本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。

总的感受有以下几方面：

1、通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。

2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。

特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。

3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。

同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。

参考文献

[1]王离九，黄锦恩编著，晶体管脉冲直流调速系统，华中理工大学出版社出版

[2]丁元杰主编,上海市教育委员会组编,单片微机原理及应用，机械工业出版社

[3]李荣生主编，电气传动控制系统设计指导，机械工业出版社

[4]吴守箴，臧英杰编著，电气传动的脉宽调制控制技术，机械工业出版社

[5]陈伯时主编,自动控制系统---电力拖动控制,中央广播电视大学出版社