小功率直流电机调速系统设计毕业论文.docx
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小功率直流电机调速系统设计毕业论文
小功率直流电机调速系统设计毕业论文
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1引言
1.1课题背景及意义
在现代的工业生产及应用中，电动机发挥着越来越重要的作用，由电动机和生产机械组成的系统称为电力拖动系统，电动机是其重要的组成器件，电动机的作用是将电能转换为机械能，为生产机械提供动力，是生产机械的原动力，是生产机械的原动机，为生产提供了动力[1]。
直流电机传动效率高、运行经济、操作简便，因而得到了越来越广泛的应用，特别是在现在的工业企业中，几乎所有的生产机械都是由电动机来拖动的，例如各种机床、各种生产线、风机、水泵，等等。
可以毫不夸张的说，没有电动机、没有直流电机，就没有现代工业。
这样，电动机在我国国民经济中得重要作用就不言而喻了，所以说电动机在的日常的生活中是必不可少的。
所以设计中非常有必要研究一下直流电机。
电动机是主要的动力设备，直流电动机就是将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换为直流电能（直流发电机）的旋转电机。
近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，由于在需要用到变速的场合有很多的应用，所以需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求。
这就使研究直流电机的转速变的非常有意义，对日常的生活也有很大的帮助[2]。
1.2本课题研究方法和目标
1.2.1硬件部分
1、首先确定电机驱动的电路，以及控制驱动电路的方式。
2、要使其驱动电路工作，则需要给驱动电路信号，也就是PWM控制信号，这个信号就得要XS128单片机产生。
这就是要设计一下XS128核心控制模块，还有按键输入预置转速的模块。
3、电机转动以后需要测量其速度，这时要用到测速的模块来测量其速度，实际转速来作为反馈信号进行比较，使XS128单片机调节占空比，控制电机转速的快慢。
4、测速以后，本设计需要用到显示模块来进行显示预设转速和实际转速。
1.2.2软件部分
1、键盘输入预设转速程序，通过按键来给单片机的预设转速。
一边给XS128单片机，一边给51单片机。
2、XS128单片机产生PWM信号的程序，这个占空比大小是可调的，设计为键盘输入预设转速与当前转速相比较由软件自动调节，然后产生要求的触发信号去控制电机按照设计中要求的转速工作。
3、C51单片机控制LCD1602显示的程序，显示预置转速和实际的转速。
本设计将实现直流电机的闭环调速，转速预置，速度显示，速度测量等基本功能。
1.3主要技术介绍
本设计核心技术是脉宽调制（PulseWidthModulation）控制技术，该技术通常简称为PWM控制技术。
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
研究PWM是非常有实际意义的。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码[3]。
2方案研究与主要芯片选择
2.1总体方案原理及设计框图
本设计是基于MC9S12XS128单片机为核心处理芯片来控制整个系统进行运行，还用到了STC89C51单片机为辅助显示模块。
系统框图如图2.1所示。
图2.1控制系统框图
如图2.1所示本方案采取MC9S12XS128为核心控制的芯片来作为控制系统的核心，键盘输入转速，来使控制中心产生PWM信号给驱动模块，来控制驱动模块，调节电机转动的转速，测速模块实时的对电机进行测速，并把速度反馈给控制核心，与键盘输入转速进行比较，然后依次调节PWM信号，使电机的实际转速和键盘输入转速相同。
电源为5V和6V，6V电源给驱动电路的BTS7960芯片来进行供电，5V的电源给显示模块、MC9S12XS128核心控制模块、测速模块来进行供电。
键盘输入模块是四个按键，分别相当于千，百，十，个位，通过按键来设定转速。
测速模块实际就是一个红外发光对管，通过测量高低脉冲的个数来实现测速。
驱动模块是由两片BTS7960组成的H桥来对电机进行驱动。
显示装置用到了STC89C51单片机来驱动LCD1602液晶来对实际转速和键盘的预设转速来进行显示。
调速模块通过调节PWM信号的占空比来进行调速[4]。
根据系统框图，对系统进行了设计，对设计过程中要用到器件选择，下面是对各部分单元器件的论证和选择。
2.2主控芯片的选择与论证
在本设计中，主控电路可以用到两种芯片。
1、采用MC9S12XS128作为系统的主控芯片。
MC9S12XS128控制芯片的介绍：
MC9S12XS128是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash、8KBRAM、8KB数据Flash组成片内存储器。
这要功能模块包括：
内部存储器；内部PLL锁相环模块；2个异步串口通讯SCI；1个串行外设接口SPI；1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM；周期中端定时器模块PIT；16通道A/D转换模块ADC；1个8通道脉冲宽度调制模块PWM；输入/输出数字I/O口。
MC9S12XS128比C51的功能更为强大。
MC9S12XS128有丰富的输入输出端口资源，同时集成了多种功能模块，端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ、PORTAD共11个端口。
端口引脚大多为复用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。
MC9S12XS128有着更为丰富的端口资源，XS128的时钟频率可以达到24MHz，是系统的定时变得更加的精确，定时一分钟误差比C51单片机的定时一分钟的误差要小。
XS128寄存器丰富，便于设计中的调用，包括其PWM信号的设定，占空比的调整，测速信号的输入都比较的方便。
在做电机调速的方面和C51相比较XS128还是有很大的优势。
该单片机共有112个管脚，管脚的资源丰富，便于对其进行控制和编程。
其管脚图如图2.2所示。
图2.2MC9S12XS128引脚图
2.采用89C51作为作为系统主控芯片[5~10]
89C51单片机是8位单片机，4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，P0，P1，P2，P3为I/O口。
P0作I/O口时需要接上拉电阻。
两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量中断结构，一个全双工串口通信口，片内振荡器及时钟电路。
其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，工具有111条指令，与其他高位单片机相比而言，指令周期较长，运算速度太慢，而且由于其内部总线是8位的，其内部功能模块也基本上都是8位的；89C51单片机本身的电源电压是5伏，89C51有两种低功耗方式：
待机方式和掉电方式。
比较以上两种方案：
1.MC9S12XS128是16位的运算速度比较快，而C51是8位的运算速度不快。
2.MC9S12XS128产生PWM信号比较精确，并且有专门产生PWM信号的寄存器，并且方便简单，可操作性强。
C51没有专门产生PWM信号的寄存器，可操作性不强，产生PWM波还得需要外围电路，PWM信号产生的质量也不好。
相比于XS128，C51单片机产生PWM信号要麻烦，所以本设计选用MC9S12XS128为主控制芯片，来控制电机的调速。
2.3显示设备的选择与论证
1、使用数码管显示
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮；共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
在本设计中可以使用一个3/8译码器作为位选芯片，一个74LS573作为段选芯片，预计要完成各功能电路的显示则至少需要两个四合一数码管，此方案连线太多，硬件设计不便，并且其功耗较大[11]。
2、使用液晶LCD1602显示
液晶显示屏主要用于数字型钟表和其他字符和数字的显示。
其显示使用了两片极化材料，在它们之间是液体水晶溶液。
设计中用到的字符型液晶模块时一种用5*7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，本设计中要用到的是2行16个字的液晶显示。
相比于其他显示器件，液晶显示器件具有很多独到的优异特性：
（1）低压、微功耗。
极低的工作电压，只要2—3V即可工作，而工作电流仅几微安，这是其他任何显示器件无法比拟的。
（2）平板型结构。
平板型结构便于大批量、自动化生产。
（3）被动型显示。
液晶显示器本身不能发光，它靠调制外界光达到显示目的，因此称为被动型显示。
液晶显示不仅可以用于室外显示，而且还可以用于在阳光等强烈照明环境下显示。
对于黑暗中不能观看的缺点，只要配上背光源，就可以克服。
（4）显示信息量大。
液晶显示在同样大小的显示窗面积内，可以容纳更多的像素，显示更多的信息。
（5）易于彩色化。
液晶本身虽然一般是没有颜色的，但它实现彩色化却很容易，方法也很多。
（6）寿命长。
液晶材料是有机高分子材料，具有极高的纯度，液晶的驱动电压很低，驱动电流更是微乎其微，因此寿命很长。
（7）无辐射，无污染。
液晶显示器件使用时不会产生软射线及电磁波辐射[12]。
液晶显示有驱动简单，耗电量小，无辐射危险，平面显示以及影像稳定不闪烁等优势，显示清晰直观，并且其抗干扰能力强、显示的信息量比数码管就要大等诸多优点，数码管显示虽然编程简单，但是，显示的效果不好，画PCB图时连线比较麻烦，且必须的消影。
经比较，本设计选择此方案，用LCD1602来显示数据。
2.4驱动模块选择
1、使用MOS管来搭建驱动电路
常用的直流电机驱动方式有用MOS管来搭建H桥驱动方式，在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。
能提供较大的电流，原理图如图2.2所示[12]。
图2.2MOS管驱动电路的原理图
其工作原理如下：
使能端输入的电平为高电平1，当DIR-L输入0，而DIR-R输入1时，Q1和Q4导通，而Q2和Q3截止。
这样就会使电机往顺时针方向转动。
相反，DIR-L=1，而DIR-R=0时，Q1和Q4就是截止，Q2和Q3就会导通，电机会往逆时针方向转动[13]。
2、使用驱动芯片BTS7960来组建驱动电路
BTS7960的工作原理和MOS管驱动电路的工作原理相同，都是搭建为H桥驱动电路，BTS7960是半桥驱动芯片，就是说需要两个芯片来组成一个H桥来驱动电机的转动，电流最高43A，驱动电流稳定，驱动效果好。
由于其内阻较小，所以其发热量也小。
其管脚及其作用说明如表2.1所示。
表2.1BTS7960的管脚及其功能
管脚
名称
I/O
功能
1
GND
--
接地
2
IN
输入
输入（高或低有效）
3
INH
输入
抑制（低电平进入休眠状态）
4
OUT
输出
半桥功率输出
5
SR
输入
转换功率调整
6
IS
输出
电流检测与自我诊断
7
VSS
--
供电
用MOS管搭建H桥的驱动电路麻烦，并且发热量大并且不稳定，BTS7960的最大驱动电流可以达到43A，并且内阻较小，发热量小，接上外围电流就可以用，驱动电路稳定，综合考虑，本设计选用两片BTS7960来作为驱动模块，来驱动小功率直流电机的转动。
3硬件电路设计
3.1单片机控制模块单元电路设计
3.1.1XS128单片机
XS128单片机最小系统电路图如图3.1所示。
图3.1XS128单片机最小系统电路图
XS128要用到其PLL模块，PWM模块，ECT模块。
对电机的速度的调试和测试进行控制。
XS128中需要用到PWM2对电机进行调速，PM2和PM3的借口和驱动模块的两个PWM信号输入的借口接到一起。
还有按键的信号输入，设计中用PORTA来接受按键的信号，分别用PA0，PA1，PA2，PA3来表示按键输入的千位，百位，十位，个位的信号。
测速模块接到了PT7口，用来进行中断计数，计脉冲的个数。
在编程的过程中用到了模块，下面来介绍介绍一下模块的功能和寄存器[11]。
1、时钟模块（PLL锁相环）
时钟的设定就是对PLL进行编程，PLL就是锁相环，作用就是提高总线的频率，这是因为MCU的支撑电路一般需要外部时钟来给MCU提供时钟信号，而外部的时钟的频率可能偏低，为了使系统更加快速稳定的运行，则需要提升系统所需要的时钟频率，这就得用到PLL。
本设计用的XS128单片机的时钟频率是16M的晶振，但是实际要用到24M时钟频率，则可以通过锁相环把系统的时钟提高到24M，从而给系统提供更高的时钟信号，提高程序的运行速度。
这也是XS128单片机与C51单片机的一个区别，在C51单片机中没有PLL锁相环。
C51单片机的时钟频率只有11.0592M，没有XS128单片机运行的速度快。
本设计要用到的时钟频率为24M。
PLL初始化的步骤如下：
（1）禁止总中断。
（2）寄存器CLKSEL的第七位置0，即CLKSEL_PLLSEL=0。
选择时钟源为外部晶振OSCCLK，在PLL程序执行前，内部总线频率为OSCCLK/2。
（3）禁止锁相环PLL，即PLLCTL_PLLON=0。
（4）根据想要的时钟频率设置SYNR和REFDV以及POSTDIV（可以不管）三个寄存器。
（5）打开PLL，即PLLCTL_PLLON=1。
（6）CRGFLG_LOCK位，确定PLL是否稳定。
本设计要用到24M的时钟频率，要设定一下参数的值。
用到的公式为：
（3-1）
（3-2）
（3-3）
本设计要设置
，则
，令POSTDIV=0，则
，根据表3-1所示可以确定出来VCOFRQ=10。
由公式（3-1）可以计算出SYNDIV=2，REFDIV=1，这样系统的时钟频率就设定为24M。
表3-1VCOCLK的频率分布范围
VCOCLKFrequencyRanges
VCOFRQ[1:
0]
32MHz<=fvco<=48MHz
00
48MHz<=fvco<=80MHz
01
Reserved
10
80MHz<=fvco<=120MHz
11
2、PWM模块
XS128的PWM模块的特点：
1）它有8个独立的输出通道，并且可以通过编程来控制波形的周期。
2）每一个输出通道都有一个精确的计数器。
3）每一个通道的PWM输出使能都可以有编程来实现。
4）PWM输出波形的翻转控制可以通过编程来实现。
5）周期和脉冲可以被双缓冲。
当通道关闭或PWM计数器为0时，改变周期和脉冲才能用。
PWM寄存器的介绍：
（1）PWM启动寄存器PWME表3-2所示。
表3-2PWME寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
PWME7
PWME6
PWME5
PWME4
PWME3
PEME2
PWME1
PWME0
每一个PWM的输出通道都有一个使能位PWMEx。
它相当于一个开关，用来启动和关闭相应通道的PWM波形输出。
当任意的PWMEx位置1，则相应的PWM输出通道就立刻可用，当置0时则该通道不可用。
（2）PWM时钟选择寄存器PWMCLK每一位如表3-3所示。
表3-3PWMCLK寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
PCLK7
PCLK6
PCLK5
PCLK4
PCLK3
PCLK2
PCLK1
PCLK0
XS128的PWM共有四个时钟源，每一个PWM输出通道都有两个时钟可供选择（CLOCKA、CLOCKSA或者CLOCKB、CLOCKSB）其中0、1、4、5通道可选用CLOCKA和CLOCKSA，2、3、6、7通道可选用CLOCKB、CLOCKSB通道。
该寄存器用来实现几个通道时钟源的选择。
PCLK0=1---通道0（PTP0）的时钟源设为CLOCKSA,PCLK2=0---通道2（PTP2）的时钟源设为CLOCKB。
（3）PWMPRCLK的每一位如表3-4所示。
表3-4PWMPRCLK寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
PCKB2
PCKB1
PCKB0
PCKA2
PCKA1
PCKA0
PWMPRCLK寄存器包括CLOCKA预分频和CLOCKB预分频控制位。
具体参照表3-5和3-6所示。
表3-5CLOCKA预分频的大小
PCKB2
PCKB1
PCKB0
VALUEOFCLOCKB
0
0
0
E
0
0
1
E/2
0
1
0
E/4
0
1
1
E/8
1
0
0
E/16
续表3-6CLOCKA预分频的大小
PCKB2
PCKB1
PCKB0
VALUEOFCLOCKB
1
0
1
E/32
1
1
0
E/64
1
1
1
E/128
（4）PWM波形对齐寄存器PWMCAE的每一位如表3-7所示。
表3-7PWMCAE寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
CAE7
CAE6
CAE5
CAE4
CAE3
CAE2
CAE1
CAE0
PWMCAE寄存器包含8个控制位来对每个PWM通道设置左对齐输出和中心对齐输出。
当其值为0时，通道输出方式为中心对齐；当其值为1时，通道输出方式为左对齐。
本设计中用到的为左对齐方式，其介绍如下。
在该方式下，脉冲计数器为循环递增计数，计数初值为0。
当PWM使能后，计数器PWMCNT从0开始的时候信号递增计数，开始对一个输出周期。
当计数值与占空比常数寄存器PWMDTY相等时，比较器1输出有效，将触发器置位，而PWMCNT继续置数；当计数值与周期常数寄存器PWMPER相等时，比较器2输出有效，将触发器复位，同时PWMCNT也复位，结束一个周期。
如图3-2所示。
图3-2PWM左对齐方式
左对齐方式的占空比=[（PWMPERx-PWMDTYx）]/PWMPERx*100%；
PWM初始化步骤总结：
禁止PWMPWME=0;
选择时钟PWMPRCLK，PWMSCLA，PWMSCLB，PWMCLK；
选择极性PWMPOL；
选择对齐方式PWMCAE；
选择占空比和周期PWMDTYx，PWMPERx；
使能PWM，令PWME=1；
三、ECT模块简介
ECT实际上就是一个16位的可编程计数器，它的基本时钟频率可以通过预分频来设置，用于产生波形输出，测量输入波形，统计脉冲个数，可以作为独立的定时器中断功能和独立时钟基准，在本设计中ECT来作为计时器使用，记录时间的变化来测得电机实际的转速。
ECT模块寄存器介绍
（1）定时器/计数器系统控制寄存器1（TSCR1）如表3-8所示。
表3-8TSCR1寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
TEN
TSWAI
TSFRZ
TFFCA
0
0
0
0
TSCR1：
寄存器是定时器模块的总开关，它决定模块是否启动以及在中断等待，BDM方式下的行为，还包括标志的管理方式。
TEN：
定时器使能位，为0时定时器/计数器被禁止，有利于降低功耗；为1时定时器/计数器使能，正常工作。
TSWAI：
等待模式下计时器关闭控制位，为0时在中断等待模式下允许MCU继续运行；为1时当MCU进入中断等待模式时，禁止计时器。
TSFRZ：
在冻结模式下计时器和计数器停止位，为0时，在冻结模式下允许计数器和计时器继续运行；为1时在冻结模式下禁止计时器和计数器，用于仿真调试。
（2）计时器系统控制寄存器2（TSCR2）的寄存器如表3-9所示。
表3-9TSCR2寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
TOI
0
0
0
TCRE
PR2
PR1
PR0
TOI：
定时器/计数器流出中断使能，为0时中断被禁止；为1时，当TOF标志被置位时发出硬件中断请求。
TCRE：
定时器/计数器复位使能，为0时，计数器复位禁止，计数器自由计数；为1时通道7成功比较后计数器将被复位。
PR2，PR1，PR0：
计数器预分频选择，这三位所决定的分频因子如表3-10和表3-11所示。
表3-10分频因子分频表
PR2
PR1
PR0
Prescalefactor
0
0
0
1
0
0
1
2
0
1
0
4
0
1
1
8
1
0
0
16
续表3-11分频因子分频表
PR2
PR1
PR0
Prescalefactor
1
0
1
32
1
1
0
64
1
1
1
128
（3）主定时器中断标志寄存器（TFLG1，TFLG2）每一位如表3-12所示。
表3-12TIOS寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
C7F
C6F
C5F
C4F
C3F
C2F
C1F
C0F
TFLG1寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
TOF
0
0
0
0
0
0
0
其中TFLG1、TFLG2为中断标志寄存器，其中TFLG1对应8个IC/OC通道，当某CnF=1时说明对应的IC/OC通道有动作，表明该通道有中断事件发生。
TFLG2只有一个标志位TOF，作为核心计数器的中断请求标志。
当TOF=1时说明核心计数器溢出。
计时器中断使能寄存器（TIE）每一位如表3-13所示。
表3-13TIE寄存器
7
6
5
4
3
2
1
0
C7I
C6I
C5I
C4I
C3I
C2I
C1I
C0I
TIE寄存器中的位于状态寄存器TFLG1中的标志位相对应。
如果将TIE中的某位清0，相应的标志位就不能引起硬件中断。
如果置1，相应的标志位就能引起中断。
CnF：
输入捕捉/输出比较中断
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