基于单片机的直流电机调速系统(DOC)

课程设计设计题目：基于单片机的直流电机调速系统学院：机电汽车工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：机101-2班姓名：**学号：2010********指导老师：***完成时间：2013年6月2日目录1、直流电机调速系统概述...................31.1直流电机结构...........................31.2直流电机工作原理....................31.3直流电机PWM调速原理...........41.4AT89C51单片机........................52、直流电机调速系统设计....................62.1PWM波形程序的实现与控制.....72.2H桥驱动设计...........................82.3L298功率放大器.......................93、软件设计.........................................113.1程序流程图............................113.2主程序设计.............................133.3功能程序设计.........................143.4系统仿真................................173.5系统仿真结果分析..................184、设计总结.........................................195、参考资料.........................................201、直流电机调速系统概述1.1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，转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向片和电刷引出，直流电机结构如下图所示1.2直流电机工作原理由上图可知，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中的电流方向改变时，线圈受力的方向也改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。1.3直流电机PWM调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为右图所示的脉动电压，可以看出，在T不变的情况下，改变1t和2t宽度，电压将发生变化。下面对这一变化作进一步的推导。设电机接全电压U时，其转速最大为maxn。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=1t/T,则电枢的平均电压为平U=DU则neaCEeCDU下图为施加不同的占空比时测的的转速与占空比的关系图1.4AT89C51单片机AT89C51单片机结构框图它的基本组成包括：（1）一个8位的微处理器；（2）片内数据存储器RAM为128B,有21个特殊功能寄存器；（3）片内程序存储器FlashRom有4KB；（4）可寻址片内外统一编址的64KB的ROM，可寻址片内外64KB的RAM;（5）4个8位并行I/O接口（P0~P3）;一个全双工通用异步串行接口UART;（6）两个16位的定时/计数器；（7）5个中断源、两个优先级的中断控制系统；（8）具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能；（9）片内振荡器和时钟产生电路。51单片机的引脚图2、直流电机调速系统设计2.1PWM波形程序的实现与控制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T0,T1作定时器使用，工作在方式1，通过8位拨码开关的接通与断开控制PWM脉动脉冲的占空比并且通过P0口读入51单片机控制PWM波形产生的相应程序进而控制直流电动机的速度。PWM脉冲波形产生程序ITT0:CPLP1.5JNBP1.5,Z1MOVA,P0;读取P0口电平MOVR0,A；通过R0改变占空比MOVA,#0FFHSUBBA,R0MOVTH0,A；低电平定时SETBTR0；启动计时RETIZ1:MOVA,P0;读取P0口电平MOVR0,A；通过R0改变占空比MOVTH0,R0;高电平计时SETBTR0;启动计时RETI2.2H桥脉宽放大器设计脉宽调制放大器电路（H桥）直流脉宽调制系统主电路的结构形式有多种，按输出极性有单极性输出和双极性输出之分，而双极性输出的主电路又分为H型和T型，H型脉宽放大器又可分为双极式和单极式。上图是H型双极式脉宽放大器电路。图中四只开关管分为两组，VT1和VT3为一组，VT2和VT4为另一组。同一组中的两只开关管同时导通，同时关断，且两组开关管之剑可以交替地导通、断开，实现电机的正反转。如图所示，在VT1和VT3导通时电动机正转，当VT2和VT4导通时，电动机反转，同时通过控制PWM波的占空比来调节直流电动机的转速。2.3L298功率放大器L298双H桥直流电机驱动板可以驱动两台直流电动机，使能端ENA、ENB为高电平时有效，若要对直流电动机进行PWM调速，需要设置IN1、IN2，确定电动机的转动方向，然后对使能端输出PWM脉冲，即可实现调速，控制方式及直流电机状态如下表所示：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:接地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高3、软件设计3.1程序流程图否是开始系统初始化中断？关中断读取P2口数据判断状态正转？反转？停车？刹车？P1.6=1P1.7=1正转P1.6=0P1.7=1反转P1.5=0O1.6=0P1.7=0停车P1.5=1P1.6=1P1.7=1刹车开中断读8位拨码开关数据调整PWM波占空比调速RETI3.2主程序设计ORG0000HAJMPSTARTORG0003H;判断中断的状态LJMPINT2ORG000BH;PWM波形产生的中断LJMPITT0ORG0030H;系统初始化START:MOVSP,#60H;设置一固定堆栈地址MOVR0,#00HCLRP1.5CLRP1.6CLRP1.7MOVTMOD,#01H;计数器T0工作方式1MOVTL0,#0FFH;设置计数初值MOVTH0,#0FFHSETBEA;开中断SETBEX0;允许外部中断SETBET0;允许T0中断CLRIT0SETBTR0;启动T0计数SJMP$3.3功能程序设计判断状态中断程序：INT2:CLREX0;关中断MOVA,#0FFHMOVP2,A;P2口置1MOVA,P2;读取P2口JNBACC.0,SC;判断刹车JNBACC.1,ZZ;判断正转JNBACC.2,FZ;判断反转JNBACC.3,TZ;判断停车SETBEX0;开中断LCALLTTS;延时程序LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSRETIPWM波形产生中断程序：ITT0:CPLP1.5;L298使能取反JNBP1.5,Z1MOVA,P0;读取P0口MOVR0,A;通过P0口改变占空比MOVA,#0FFH;设置低电平计数值SUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0;启动T0计数RETIZ1:MOVA,P0;改变占空比MOVR0,AMOVTH0,R0;设置高电平计数值SETBTR0;启动T0计数RETI正转子程序：ZZ:SETBP1.6;L298INT1置1CLRP1.7;L298INT2清零LCALLTTS;延时程序LCALLTTSLCALLTTSSETBEX0;允许中断RETI反转子程序：FZ:CLRP1.6;L298INT1取反SETBP1.7;L298INT2置1LCALLTTS;延时程序LCALLTTSLCALLTTSSETBEX0;允许中断RETI停转子程序：TZ:CLRP1.5;L298使能端清零CLRP1.6;L298INT1清零CLRP1.7;L298INT2清零LCALLTTS;延时程序LCALLTTSLCALLTTSSETBEX0;允许中断RETI刹车子程序：SC:SETBP1.5;L298使能端置1SETBP1.6;L298INT1置1SETBP1.7;L298INT2置1LCALLTTS;延时程序LCALLTTSLCALLTTSSETBEX0;允许中断RETI延时子程序：TTS:MOVR3,#0E0HTT1S:MOVR4,#30HTT0S:DJNZR4,TT0SDJNZR3,TT1SRETEND3.4系统仿真正转仿真3.5系统仿真结果分析通过仿真结果表明，直流电机基于51单片机的控制基本实现了正转、反转、停车的功能，并且可以通过八位拨码开关控制PWM波形的占空比，进而实现对速度的实时调节，但是刹车功能效果不明显。设计总结刚刚接到这个课题，感觉真的无从下手，因为直流电机的正反转等功能完全可以通过电力电子及硬件实现的观念已经先入为主。连续两天都在思考这个问题，最后通过请教老师、上网以及在图书馆查阅资料，我发现，应用单片机控制更加的方便简单、更加精细，虽然自己也不知道到底能不能很好的完成任务，但是我对单片机这门课程产生了更大的兴趣。带着种种问题，我不断的去查阅相关资料。八位拨码开关在此之前根本都没有听说过；L298功率放大器只听说过，对于引脚功能、工作原理根本一无所知；H桥以前只是在课本上见过图片，对于其功能的没有清晰的认识。更重要的是在课程设计期间，我熟练掌握了KeiluVision2编程软件、Proteus7Professional系统仿真软件，读程、编程的能力显著提升，对于以后自学电力电子学大有裨益。参考资料【1】89C51单片机实用教程/张晓乡主编电子工业出版社，2010.8【2】新编单片机原理及应用/汪贵平等编著机械工业出版社，2009.9【3】单片机控制工程实践技术/付家才主编化学工业出版社，2004.3【4】机电传动控制/邓星钟等编著华中科技大学出版社，2007.7【5】机电一体化系统设计/张建民等编著高等教育出版社，2000.7【6】基于Proteus的单片机应用技术/江世明著电子工业出版社，2009.6