基于52单片机直流单闭环调速系统

运动控制系统课程设计题目:基于52单片机直流单闭环调速系统院系名称:电气工程学院专业班级:学生姓名:学号:指导教师:评语：成绩运动控制课程设计2目录摘要................................................................3一系统论述.........................................................51设计背景.......................................................52设计思路.......................................................5二直流调速及PWM控制原理...........................................51直流电机调速原理...............................................52电流环的动态结构及其简化.......................................63PWM脉宽调制原理................................................7三系统总体设计框图及单片机系统的设计..............................81系统总体设计原理图.............................................82AT89C52单片机简介.............................................83系统中所用其他芯片简介........................................10四直流电动机调速系统电路设计......................................121技术指标......................................................122系统部分电路介绍..............................................12五直流电动机调速系统软件设计......................................161系统软件设计..................................................162转速检测反馈流程图............................................163源程序........................................................17设计心得...........................................................23参考文献...........................................................24附录一：原理图.....................................................25运动控制课程设计3摘要在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统在一些对调速性能要求较高的系统中有很大的使用价值。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有非常好的调速性能，目前，在一些对调速性能要求比较严格的场合中，主要使用的还是直流调速系统。本文阐述了基于AT89C52单片机的直流电动机转速控制系统，硬件系统主要包括：A/D转换环节、控制驱动环节、测速环节、LCD显示环节及相关硬件电路；软件设计采用汇编语言编程。该系统采用PWM脉冲方式驱动电动机，通过调节电位器来调节PWM脉冲宽度，利用光电开关测量电动机的转速，并在液晶显示屏(LCD)上实时显示电机的转速值。从而，在电动机转速的可控范围内控制电动机转速。最后对整个设计过程中出现的问题进行了分析。运动控制课程设计4随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。关键字：直流调速LCD显示PWM控制测速环节运动控制课程设计5一系统论述1设计背景近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。2设计思路随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中AT89C52单片机做为控制芯片。设计控制部分：主要由AT89C52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机组成。设计显示部分：LCD数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。二直流调速及PWM控制原理1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：crcnURTCCC其中：U—电压；R——每极磁通(Wb)；Cc—电势运动控制课程设计6常数；Cr—转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM)调压等等。调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。2电流环的动态结构及其简化忽略反电动势的动态影响的电流环的结构如图2.1所示：1/(ToiS+1)ACRKS/(TsS+1)1/R(TlS+1)Βi/(ToiS+1)U*i(S)_+Uc(S)Ud(S)Id(S)图2.1忽略反电动势的动态影响把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题是反电势产生的反馈作用。在实际系统中，由于电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm,电流调节过程往往比较速的变化过程快的多，因此也电势E的变化快的多，反电势对电流环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器的快速调节过程中，可以认为E基本不变，即ΔE=0时。这样，在设计电流环时，在可以不考虑反电势变化的影响，而将电势反馈作用断开，使电流环结构得以简化。如图2.2所示：运动控制课程设计7Β/(ToiS+1)ACRKs/R(TsS+1)(TlS+1)Uc(S)Id(S)+_Ui*(S)/β图2.2等效成单位负反馈系统另外，在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效的置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最后，考虑到反馈时间常数Ti和晶甲管变流装置时间常数Ts比T1小的多，可以当作小惯性环节处理，并取T∑i=Toi+Ts。经过上术简化和近似处理后电流环的结构图最终为下图2.3所示：ACRβKs/R(TlS+1)(TiS+1)Id(S)Ui*(S)图2.3小惯性环节近似处理3PWM脉宽调制原理PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。下式是占空比计算公式：TtD1式中t1表示一个周期内开关管导通的时间，T表示一个周期的时间。占空比D表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值，变化范围为0≤D≤1。由上式可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值为，因此改变占空比D就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法：（1）定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（2）调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。（3）定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。前2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，因此应用较少。目前，在直流电运动控制课程设计8动机的控制中，主要使用第3种方法。定频调宽法是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2.4所示：图2.4PWM信号的占空比三系统总体设计框图及单片机系统的设计1系统总体设计原理图如图3.1所示：AT89C52A/D转换电位器LCD显示测速传感器放大模板驱动模块MPWM图3.1系统总体设计原理图2AT89C52单片机简介（1）AT89C52单片机的基本组成AT89C52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，其运动控制课程设计9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3.2所示：振荡电路CPU数据存储器程序存储器中断系统并行I/O口串行口定时器特殊功能寄存器图3.2单片机基本组成结构（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：AT89C52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