PWM调速系统设计.docx
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PWM调速系统设计
课程设计
1概述
1.1设计思路………………………………………………………1
1.2直流电动机PWM调速原理……………………………………1
1.3总体设计原理图………………………………………………2
2直流电机的选择与电路设计
2.1直流电机的选择………………………………………………3
2.1.1直流电机类型………………………………………………3
2.1.2直流电机结构………………………………………………3
2.1.3直流电机工作理……………………………………………4
2.1.4直流电机主要技术参数……………………………………4
2.2直流电机的电路设计……………………………………9
2.2.1延时保护电路…………………………………………………9
2.2.2主电路…………………………………………10
2.2.3输出电压波形…………………………………………10
3单片机和输入
3.1单片机的选择…………………………………………11
3.2输入…………………………………………11
4速度检测装置的选择
4.1增量式光电编码盘的结构和工作原理……………………15
4.2编码盘的方向辨别…………………………………………15
4.3光电编码盘与单片机的接口………………………………15
4.4信号处理电路
5显示装置
5.1数码管工作原理
5.2静态显示方式及其典型应用电路
6直流电机PWM控制系统的实现
6.1总电路图………………………………………………………15
7直流电机控制程序
8结束语
参考文献资料…………………………………………………………26
1系统论述
1.1设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括：
直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。
其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。
该直流电机系统由以下电路模块组成：
振荡器和时钟电路：
这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。
设计输入部分：
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。
设计控制部分：
主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。
设计显示部分：
包括液晶显示部分和LED数码显示部分。
液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。
直流电机PWM控制实现部分：
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
1.2基本原理
直流电动机电枢的PWM调压调速原理
直流电动机转速n的表达式为式（3-1）：
（3-1）
式中U——电枢端电压；
I——电枢电流；
R——电枢电路总电阻；
——每极磁通量；
K——电动机结构参数。
本设计采用电枢控制方法。
对电动机的驱动离不开半导体功率器件。
在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用可分为两种方式：
线形放大驱动方式和开关驱动方式。
实际生活中，绝大多数直流电动机采用开关驱动方式/开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
脉宽调制即PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。
图2-2是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图和输入输出电压波形。
在图2-2（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压
。
秒后，栅极变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
这样，对应者输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2（b）所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值
为式（3-2）：
（3-2）
式中
——占空比，
。
图3-2PWM调速控制原理和电压波形图
Fig.3-2PWMspeedcontrolprincipleandthevoltagewaveform
占空比
表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。
的变化范围为
。
可知，当电源电压
不变的情况下，电枢的端电压的平均值
取决于占空比
的大小，改变
的值就可以改变电枢两端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
在PWM调速时，占空比
是一个重要的参数，以下三种方法都可以改变占空比的值。
（1）定宽调频法
这种方法是保持
不变，只改变
，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（2）调宽调频法
这种方法是保持
不变，而改变
，这样使周期T（或频率）也随之改变。
（3）定频调宽法（选用此方法）
这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变
和
。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法很少用。
目前，在直流电动机控制中，主要使用定频调宽法。
PWM控制信号产生的方法有4中。
（1）分立电子元件组成的PWM信号电路。
它是最早期的方法，现在已被淘汰了。
（2）软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。
这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其它工作，因此也逐渐被淘汰。
（3）专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多中。
这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。
在单片机控制直流电动机中，使用专用的PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作可靠。
（4）单片机的PWM
新一代单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。
单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比是CPU才进行干预。
根据直流电动机的转矩（电流）与转速的关系，可以做一个图来表示电动机运行状态，如图3-3所示。
从图中可以看出，第一象限是电动机正转运行状态；第三象限是电动机反转运行状态；第二和第四象限分别是电动机反转和正转时再生制动运行状态。
电动机能在几个象限沙锅内工作与控制方式和电路结构有关。
如果电动机在4个象限上都能运行，说明电动机的控制功能比较强。
图3-3电动机4个运行象限
Fig.3-3Motor4QuadrantOperation
1.3总体设计原理图
第二章直流电机单元电路设计与分析
2.1直流电机驱动模块
主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。
现在介绍下直流电机的运行原理
2.1.1直流电机类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：
直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
下面以直流电动机作为研究对象。
2.1.2直流电机结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。
图2.1直流电动机结构
2.1.3直流电机工作原理
直流电机电路模型如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
图2.2直流电动机电路模型
2.1.4直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有：
额定功率Pn：
在额定电流和电压下，电机的负载能力。
额定电压Ue：
长期运行的最高电压。
额定电流Ie：
长期运行的最大电流。
额定转速n：
单位时间内的电机转动快慢。
以r/min为单位。
励磁电流If：
施加到电极线圈上的电流。
2.2直流电机的电路设计
2.2.1延时保护电路
利用IR2110芯片的完善设计可以实现延时保护电路。
IR2110使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同桥臂上的两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互琐时间间隔，因而防止了被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。
2.2.2主电路
从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。
因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续、不间断的导通的。
我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。
将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。
在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加正向的工作电压。
其具体的操作步骤如下：
当IC1的LO为低电平而HO为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通。
同理，此时IC2的HO为低电平而LO为高电平，Q3截止，C3上的电压经过VB、IC内部电路和HO端加在Q4的栅极上，从而使得Q4导通。
电源经Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。
此时直流电机正转。
在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电机上加反向工作电压。
其具体的操作步骤如下：
当IC1的LO为高电平而HO为低电平的时候，Q2导通且Q1截止。
此时Q2的漏极近乎于零电平，Vcc通过D1向C1充电，为Q1的又一次导通作准备。
同理可知，IC2的HO为高电平而LO为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎于零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通作准备。
电源经Q3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过Q2到达零电位，完成整个的回路。
此时，直流电机反转。
因此电枢上的工作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。
设PWM波的周期为T，HIN为高电平的时间为t1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。
HIN信号的占空比为D=t1/T。
设电源电压为V，那么电枢电压的平均值为：
Vout=[t1-（T-t1）]V/T
=（2t1–T）V/T
=（2D–1）V
定义负载电压系数为λ，λ=Vout/V，那么λ=2D–1；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。
D在0—1之间变化，因此λ在±1之间变化。
如果我们联系改变λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。
当λ=0.5时，Vout=0，此时电机的转速为0；
当0.5<λ<1时，Vout为正，电机正转；
当λ=1时，Vout=V，电机正转全速运行。
图2-13系统主电路
2.2.3输出电压波形
系统电路经过单片机控制的PWM信号产生电路送来的PWM信号，经过功率放大电路，形成输出电压的波形图如下图如示：
图2-14输出电压波形
3单片机和输入
3.1单片机的选择
本系统以8051单片机为核心，通过单片机控制实现对直流电机的平滑调速。
但是由于8051只有两个定时器T0和T1不足以完成要求，故外接一个8253以满足对定时器的要求。
8051单片机引脚图
8253单片机引脚图与之类似。
晶振频率fosc=12MHz。
3.2输入
输入采用键盘的编码输入：
对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。
对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。
如图9-15中的8号键，它位于第2行，第0列，因此，其键盘编码应为20H。
采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。
因此，可采用依次排列键号的方式对按排进行编码。
以图7.5中的4×4键盘为例，可将键号编码为：
01H、02H、03H、…、0EH、0FH、10H等16个键号。
编码相互转换可通过计算或查表的方法实现。
图2-28051矩阵式键盘结构2
4测速检测装置的选择
对转速的测量可以用直流测速发电机和光电编码盘角度检测传感器等。
由于直流测速发电机是一种模拟测速装置，因而基于本设计的特点，这里采用数字式的光电编码盘角度检测传感器，来对电动机进行测速。
光电编码盘角度检测传感器是一种常用转速检测传感器它是编码式数字传感器，它将测得的角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。
光电编码盘角度检测传感器可分为两种：
绝对式光电编码盘角度检测传感器和增量式光电编码盘角度检测传感器。
本设计使用增量式光电编码盘角度检测传感器。
4.1增量式光电编码盘的结构和工作原理
增量式光电编码盘是在一个码盘上只开出三条码道，由内向外分别为A、B、C，如图4-6（a）所示。
在A、B码道的码盘上，等距离地开有透光的缝隙，两条码道上相邻的缝隙相互错开半个缝宽其展开图如4-6（b））所示。
第三条码道C只开出一个缝隙，用来表示码盘的零位。
在码盘的两侧分别安装光源和光敏元件，当码盘转动时，光源经过透光和不透光区域，相应地，每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。
码道上有多少条缝隙，就会有多少个脉冲输出。
将这些脉冲整形后，输出的脉冲信号如图4-6（c）所示。
图4-6增量式光电编码盘的结构和工作原理
Fig.4-6Structureandoperationprincipleoftheincrementtypephotoelectriccodeplate
例如，国产SZGH-01型（选用该型号的装置）增量式光电编码盘采用封闭式结构，内装发光二极管（光源）、光电接收器和编码盘，通过联轴节与被测轴连接，将角位移转换成A、B两路脉冲信号，供可逆计数器记数，同时还输出一路零位脉冲信号作为零位标记。
它每圈能输出600个A相或B相脉冲和一个零位脉冲，A、B相脉冲信号的相位相差90
。
4.2编码盘的方向辨别
编码盘方向的辨别可以采用如图4-7所示的电路，下面介绍该电路的辨向原理。
经放大整形后的A、B两相脉冲分别输入到D触发器的D端和CP端，如图4-7（a）所示，因此，D触发器的CP端在A脉冲的上升沿触发，由于A、B脉冲相位相差90
，当正转时B脉冲超前A脉冲90
，触发器总是在B脉冲处于高电平时触发，如图4-7（a）所示，这时Q=1，表示正转；当反转时，A脉冲超前B脉冲90
，触发器总是在B处于低电平时触发，这时Q=0，表示反转。
A、B脉冲的另一路经与门后，输出记数脉冲。
这样用Q或
控制可逆计数器是加计数还是减计数，就可以使可逆计数器对记数脉冲进行记数。
C相脉冲接到计数器的复位端，实现每转动一圈复位一次计数器。
这样无论是正转还是反转，记数值每次反映的都是相对于上一角度的增量，形成增量编码。
图4-7编码盘方向辨别电路
Fig.4-7directiondistinguishingthecircuitinthephotoelectriccodeplate
4.3光电编码盘与单片机的接口
用单片机对增量式光电编码盘进行接口时，可通过编码盘辨别方向电路直接与单片机的I/O口连接。
如图（4-8）因为增量式光电编码盘将角位移转换成的两路脉冲信号是数字信号，可直接作为触发器D的输入信号，触发器的输出信号也是数字信号，也可直接接到单片机的I/O口。
其中把光码盘输出的A、B两路脉冲信号经一与门，得到记数脉冲，送到单片机的I/O口，即作为所测量的电动机转速的信号；取D触发器的输出端Q和
接到单片机I/O口，控制可逆记数器是加记数还是减记数，这样就可以判别电动机的转向。
4.4信号处理电路
被测物理量经过传感器变换后，变为电阻、电流、电压、电感等某种电参数的变化值。
为了进行信号的分析、处理、显示和记录，须对信号作放大、运算、分析等处理，这就引入了中间变化电路。
根据系统需要设计了如图4所示的中间变换电路。
5显示装置
5.1数码管工作原理
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。
通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。
根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。
通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
图2-6LED数码管共阴极和共阳极两种结构图
发光二极管导通→亮，不导通→暗。
这样就构成了字符的显示。
其十六进制的编码表如下：
表2-1LED共阴极字型编码表
显示
数字
共阴顺序小数点暗
共阴逆序小数点暗
共阳顺序
小数点亮
共阳顺序
小数点暗
Dpgfedcba
16进制
abcdefgDp
16进制
0
00111111
3FH
11111100
FCH
40H
C0H
1
00000110
06H
01100000
60H
79H
F9H
2
01011011
5BH
11011010
DAH
24H
A4H
3
01001111
4FH
11110010
F2H
30H
B0H
4
01100110
66H
01100110
66H
19H
99H
5
01101101
6DH
10110110
B6H
12H
92H
6
01111101
7DH
10111110
BEH
02H
82H
7
00000111
07H
11100000
E0H
78H
F8H
8
01111111
7FH
11111110
FEH
00H
80H
9
01101111
6FH
11110110
F6H
10H
90H
5.2静态显示方式及其典型应用电路
静态显示是指数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。
这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地（共阴极）或接正电源（共阳极）。
每个数码管的8个字段分别与一个8位I/O口地址相连，I/O口只要有段码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到I/O口输出新的段码。
采用静态显示方式，较小的电流即可获得较高的亮度，且占用CPU时间少，编程简单，显示便于监测和控制，但其占用的口线多，硬件电路复杂，成本高，只适合于显示位数较少的场合。
图2-7LED动态显示接口电路
6直流电机PWM控制系统的实现
6.1总电路图
6.2总电路功能介绍
直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。
操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。
振荡、时钟电路和复位电路由8051单片机内部给出。
直流电机转动速度由LCD液晶显示。
操作开关状态由液晶显示器显示。
7直流电机控制程序
7.18051控制程序
定时器T0（周期）
MOVTMOD,#00H;T0模式1，定时
SETBTR0；启动T0
LOOP:
MOVTH0，xH；装入T0计数初值具体值看需要多大转速
MOVLH0，xH
JNBTF0,$；T0没有溢出，等待
CLRTF0；产生溢出，清标志位
CLRTF1；清除定时器1的标志位
CLR?
?
；清除8253定时器的标志位（怎么弄？
）
SJMPLOOP；循环
定时器T1（时间t1）
MOVTMOD,#01H;T1模式1，定时
SETBTR1；启动T1
SETBP3.2（8253）;这怎么搞？
LOOP:
MOVTH1，xH；装入T1计数初值具体值看需要多大转速
MOVLH1，xH
JNBTF1,$；T1没有溢出，等待
CLRTF1；产生溢出，清标志位
CLRP3.2（8253）；清除定时器1的标志位
7.2主程序流程图
7.3主程序
ORG0000H
SJMPDISPLAY
ORG0003H
LJMPBUTTON;外部0中断入口地址
ORG000BH
LJMPDINGSHI;定时中断T0入口地址
RSEQUP3.0
RWEQUP3.1
EEQUP3.4
ORG0030H;此次直流电机的设计以LCD字符夜晶的
;显示程序为主程序
DISPLAY:
SETBEA;打开中断总开关
SETBEX0;打开外部中断0开关
SETBIT0;打开外部中断0下降沿触发
MOVTMOD,#01H;设置定时工作方式
MOVTL0,#0FFH;设置定时初值
MOVTH0,#0FFH
SETBET0;打开定时中断T0开关
CLRP0.5
CLRP0.6
CLRP0.7
SETBTR0;定时器T0开始定时
MOVDPTR,#TAB;夜晶显示的字符首地址
MOVR0,#00H;脉宽的初值
MOVR1,#16;"SETSPEEDPLEASE"的字符个数
MOVR3,#00H
MOVR4,#00H
LP9:
LCALLCHUSHI
LP2:
ACALLBUSY
MOVA,#00H
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
ACALLDATAS
INCDPTR
DJNZR1,LP2
LP3:
CJNER3,#00H,LP4
CJNER4,#00H,LP4
SJMPLP3
LP4:
MOVR7,#00H;中断的标志
MOVR5,#09H;CURRENT:
的字符个数
ACALLBUSY
MOVP1,#0C0H
ACALLENABLE
MOVDPTR,#MMTAB
ACALLBUSY
LP5:
MOVA,#00H
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
INCDPTR
ACALLDATAS
ACALLBUSY
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