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
论文总页数：
48页
1引言1
1.1课题背景及意义1
1.2本课题研究方法和目标1
1.2.1硬件部分1
1.2.2软件部分1
1.3主要技术介绍2
2方案研究与主要芯片选择2
2.1总体方案原理及设计框图2
2.2主控芯片的选择与论证3
2.3显示设备的选择与论证4
2.4驱动模块选择6
3硬件电路设计7
3.1单片机控制模块单元电路设计7
3.1.1XS128单片机7
3.1.2C51单片机13
3.2驱动控制电路设计13
3.3测速电路设计14
3.4液晶显示电路设计14
3.5电源电路的设计16
3.6按键输入电路的设计16
3.7电路总设计17
4软件设计19
4.1软件设计的总体流程图19
4.2各个模块的程序设计20
4.2.1XS128工作的程序设计20
4.2.2按键模块的程序设计23
4.2.3显示模块的程序设计24
4.2.4调速模块的程序设计25
5软硬件调试模块26
5.1C51单片机模块程序的调试26
5.1.1单片机程序的调试26
5.1.2单片机程序的下载27
5.2XS128单片机程序的调试和仿真27
5.2.1XS128程序的调试27
5.2软硬件连调中遇到的问题及解决方法28
5.3小功率电机调速系统的使用方法29
5.4调速中的误差的分析30
5.5方案改进32
结论32
参考文献34
致谢35
声明37
附录38
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“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组成片存储器。
这要功能模块包括：
部存储器；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，而且由于其部总线是8位的，其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，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，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：
①禁止PWMPWME=0;
②选择时钟PWMPRCLK，PWMSCLA，PWMSCLB，PWMCLK；
③选择极性PWMPOL；
④选择对齐方式PWMCAE；
⑤选择占空比和周期PWMDTYx，PWMPERx；
⑥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
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