单片机实现直流电机PWM调速系统设计.docx

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单片机实现直流电机PWM调速系统设计

新疆工业高等专科学校毕业设计（论文）

基于单片机实现直流电机PWM调速系统

景天红

系别：

电气与信息工程系

专业班级：

电气自动化06—32

（1）班

指导教师：

董晓红老师

完成日期：

2009年6月12日

新疆工业高等专科学校

毕业设计（论文）任务书

一、题目：

基于单片机实现直流电机PWM调速系统

二、指导思想和目的：

通过毕业设计，培养学生综合运用所学的知识和技能解决问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解；培养学生调查研究的习惯和工作能力；培养学生建立正确的设计和科学研究的思想，树立实事求是、严肃认真的科学工作态度。

三、设计任务或主要技术指标：

利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。

利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

四、设计进度与要求：

1）：

布置设计任务，深入了解设计内容，搜集参考资料，学习有关内容。

2）：

学习学校毕业设计的的实际情况，和格式要求。

3）：

设计网络拓扑结构以及构思设计的基本思路和设计过程。

4）：

根据根据设计要求和构思思路查找设计内容。

5）：

根据要求和设计的基本方案对设计要求的材料进行预算。

6）：

完善设计方案并绘制必须的图纸草图，编写设计说明书。

7）：

对图纸进行校正和测绘，画合格的正式图纸。

8）：

总结，熟悉设计内容，准备毕业答辩，完成答辩。

五、主要参考书及参考资料：

[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

专业班级：

电气自动化06—32

（1）班学生：

景天红指导教师：

董晓红老师

教研室主任（签名）：

系（部）主任（签名）：

年月日

新疆工业高等专科学校

毕业设计（论文）评定意见书

设计（论文）题目：

基于单片机实现直流电机PWM调速系统

专题：

基于单片机实现直流电机PWM调速系统

设计者：

姓名景天红专业电气自动化班级06—32

（1）班

设计时间：

2009年4月20日—2009年6月12日

指导教师：

姓名职称单位

评阅人：

姓名职称单位

评定意见：

评定成绩：

指导教师（签名）：

年月日

评阅人（签名）：

年月日

答辩委员会主任（签名）：

年月日

（上页背面）

毕业设计评定意见参考提纲

1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。

2.设计或论文（说明书）的优缺点，包括：

学生理论水平、独立实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力、勤勉态度等。

3.设计或论文（说明书）中较成功的部分。

4.作毕业设计或论文（说明书）时遇到的困难和问题。

电气与信息工程系毕业答辩情况记录表

答辩人姓名

景天红

班级

电气自动化

专业

06—32

（1）

设计题目

基于单片机实现直流电机PWM调速系统

指导老师

董晓红老师

答辩日期

年月日

答辩时间

时分—时分

自述

回答问题

小结

答辩组长：

年月日

摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。

另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。

关键词：

PWM信号测速发电机PI运算

1.系统硬件电路的设计………………………………………………………1

1.1系统总体设计框图及单片机系统的设计…………………………………1

1.1.1系统总体设计框图……………………………………………………1

1.1.28051单片机简介………………………………………………………1

1.1.3单片机系统中所用其他芯片简介……………………………………3

1.1.48051单片机扩展电路及分析…………………………………………5

1.2PWM信号发生电路设计……………………………………………………8

1.2.1PWM的基本原理…………………………………………………………8

1.2.2PWM信号发生电路设计…………………………………………………8

1.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理……………………………………10

1.3功率放大驱动电路设计……………………………………………………12

1.3.1芯片IR2110性能及特点………………………………………………12

1.3.2芯片IR2110引脚图及功能……………………………………………12

1.4主电路设计…………………………………………………………………15

1.4.1延时保护电路…………………………………………………………15

1.4.2主电路…………………………………………………………………15

1.4.3输出电压波形…………………………………………………………17

1.5测速发电机………………………………………………………………17

1.6滤波电路…………………………………………………………………17

1.7A/D转换…………………………………………………………………18

1.7.1芯片ADC0809介绍………………………………………………………18

1.7.2ADC0809的引脚及其功能……………………………………………18

2.直流调速系统…………………………………………………………………20

2.1直流调速系统概述…………………………………………………………20

2.2单闭环直流调速系统………………………………………………………20

2.3开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较……………………………22

3.系统软件程序的设计…………………………………………………………25

3.1PI转速调节器原理图及参数计算………………………………………25

3.2系统中部分程序的设计……………………………………………………25

3.2.1单片机资源分配………………………………………………………25

3.2.2程序流程图……………………………………………………………28

总结……………………………………………………………………………30

致谢……………………………………………………………………………31

参考文献

1.系统硬件电路的设计

1.1系统总体设计框图及单片机系统的设计

1.1.1系统总体设计框图

图1.1系统总体设计框图

1.1.28051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：

图1.28051单片机基本组成

2.CPU及8个部件的作用功能介绍如下

中央处理器CPU：

它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：

8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。

通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

特殊功能寄存器：

是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。

内部程序存储器：

8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

并行I/O口：

8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。

串行口：

它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

定时器：

8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：

该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

振荡电路：

它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。

系统允许的最高晶振频率为12MHz。

3.8051单片机引脚图

图1.38051单片机引脚图

1.1.3单片机系统中所用其他芯片简介

1.地址锁存器74LS373

74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。

其结构如下图所示：

图1.474LS373片内三态门的D锁存器

当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。

如果此时芯片的输出控制端

为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。

以下是其引脚图：

图1.574LS37引脚图

2.程序存储器27128

（1）芯片引脚

图1.6程序存储器27128引脚图

（2）功能表

引脚

工作方式

（片选）

（允许输出）

VPP

（编程控制）

输出

读

L

L

VCC

H

数据输出

维持

H

*

VCC

*

高阻

编程

L

H

VPP

L

数据输入

编程校验

L

L

VPP

H

数据输出

编程禁止

H

*

VPP

*

高阻

表1.1功能表

3．数据存储器6264

（1）芯片引脚

图1.7数据存储器6264芯片引脚

（2）芯片功能表

引脚

工作方式

I/O0—I/O7

未选中

H

*

*

*

高阻

未选中

*

L

*

*

高阻

输出禁止

L

H

H

H

高阻

读

L

H

L

H

数据输出

写

L

H

H

L

数据输入

写

L

H

L

L

数据输入

表1.2芯片功能表

1.1.48051单片机扩展电路及分析

图1.88051单片机扩展电路

接线分析

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是8051带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：

这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：

这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。

它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如下表所示：

P3口的位

第二功能

注释

P3.0

RXD

串行数据接收口

P3.1

TXD

串行数据发送口

P3.2

外中断0输入

P3.3

外中断1输入

P3.4

T0

计数器0计数输入

P3.5

T1

计数器1计数输入

P3.6

外部RAM写选通信号

P3.7

外部RAM读选通信号

表1.3P3口功能表

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/

线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。

在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/

线上输出频率为1/6fOSC的脉冲序列。

该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。

如果

=1，那么允许使用片内ROM；如果

=0，那么允许使用片外ROM。

：

片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在

线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。

其他情况下，

线均为高电平封锁状态。

RST/VPD：

复位备用电源线，可以使8051处于复位工作状态。

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于8051片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

1.2PWM信号发生电路设计

1.2.1PWM的基本原理

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。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如下图所示：

图1.9时序图

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

1.2.2PWM信号发生电路设计

图1.10PWM信号发生电路

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。

当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好。

在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。

两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2—Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。

只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。

12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。

计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2—Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。

随着计数值的增加，Q2—Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）*100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。

使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。

由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

1.2.3PWM发生电路主要芯片的工作原理

1．芯片4585

（1）芯片4585的用途：

对于A和B两组4位并行数值进行比较，来判断它们之间的大小是否相等。

（2）芯片4585的功能表：

输入

输出

比较

级取

A3、B3

A2、B2

A1、B1

A0、B0

A

A=B

A>B

A

A=B

A>B

A3>B3

*

*

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2>B2

*

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1>B1

*

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0>B0

*

*

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0=B0

0

0

1

0

0

1

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0=B0

0

1

0

0

1

0

A3=B3

A2=B2

A1=B1

A0

1

0

0

1

0

0

A3=B3

A2=B2

A1

*

*

*

*

1

0

0

A3=B3

A2

*

*

*

*

*

1

0

0

A3

*

*

*

*

*

*

1

0

0

表1.4芯片4585的功能表

（3）芯片4585的引脚图：

图1.11芯片4585的引脚图

2．芯片4040

芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。

当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。

芯片4040提供了16引线多层陶瓷双列直插、熔封陶瓷双列直插、塑料双列直插以及陶瓷片状载体等4种封装形式。

（1）芯片4040的极限值：

电源电压范围：

-0.5V—18V

输入电压范围：

-0.5V—VDD+0.5V

输入电流范围：

±10mA

贮存温度范围：

-65°C—150°C

（2）芯片4040引出端功能符号：

CP:

时钟输入端CR：

清除端Q0—Q11：

计数脉冲输出端

VDD:

正电源VSS:

地端

（3）芯片4040功能表：

输入

输出

CP

CR

↑

↓

*

L

L

H

保持

计数

所有输出端均为L

表1.5芯片4040功能表

（4）芯片4040的引脚图：

图1.12芯片4040的引脚图

1.3功率放大驱动电路设计

该驱动电路采用了IR2110集成芯片，该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。

1.3.1芯片IR2110性能及特点

IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。

高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。

与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

1.3.2IR2110的引脚图以及功能

引脚1（LO）与引脚7（HO）：

对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。

引脚2（COM）：

下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。

引脚3（Vcc）：

直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。

引脚5（Vs）：

上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。

与引脚6（VB）：

通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于—0.5V，而小于或等于+20V。

引脚9（VDD）：

芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。

引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：

驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。

应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。

引脚11（SD）：

保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。

引脚13（Vss）：

芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。

引脚8、引脚14、引脚4：

为空引脚。

芯片参数：

1．IR2110的极限参数和限制：

最大高端工作电源电压VB：

-0.3V至525V

门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：

2A

最高工作频率fmax：

1MHz

工作电源电压Vcc：

-0.3V至25V

贮存温度Tstg：

-55至150°C

工作温度范围TA：

-40至125°C

允许最高结温Tjmax：

150°C

逻辑电源电压VDD：

-0.3V至VSS+25V

允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：

50000V/μs

高端悬浮电源参考电压Vs：

VB-25V至VB+0.3V

高端悬浮输出电压VHO：

Vs-0.3V至VB+0.3V

逻辑输入电压VIN：

Vss-0.3V至VDD+0.3V

逻辑输入参考电压Vss：

Vcc-25V至Vcc+0.3V

低端输出电压VLO：

-0.3V至Vcc+0.3V

功耗PD：

DIP-14封装为1.6W

2．IR2110的推荐工作条件：

高端悬浮电源绝对值电压VB：

Vs+10V至Vs+20V

低端输出