直流电机PWM调速器设计的研究

I课程设计题目直流电机PWM调速器设计的研究专业测控技术与仪器姓名学号II摘要本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。关键字：电机控制、PWM调速、AT89C51单片机III目录第一章系统论述1.1设计思路…………………………………………………………11.2基本原理…………………………………………………………11.3总体设计框图……………………………………………………2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…………………………………………………32.1.1直流电机类型…………………………………………………32.1.2直流电机结构…………………………………………………32.1.3直流电机工作理………………………………………………42.1.4直流电机主要技术参数………………………………………42.1.5直流电机PWM调速原理……………………………………42.1.6电机驱动模块的电路设计……………………………………72.1.7程序设计流程图………………………………………………82.2直流电机的中断键盘控制模块……………………………………92.2.1外部中断设置…………………………………………………92.2.2外部中断扩展方法…………………………………………102.31602LCD液晶显示模块…………………………………………11IV2.3.1引脚分布和接口信号说明……………………………………112.3.2LCD液晶电路………………………………………………112.3.3显示程序流程图……………………………………………13第三章直流电机PWM控制系统的实现3.1总电路图…………………………………………………………153.2总电路功能介绍…………………………………………………153.3直流电机控制程序………………………………………………15第四章结束语参考文献资料…………………………………………………………265第一章系统论述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基本原理主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、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和了解电机的转向，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。其间是通过89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：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6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。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。1.3总体设计框图系统组成：直流电机PWM调速方案如图1.1所示：方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。AT89C51直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机加速控制端减速控制端正转控制端反转控制端停止控制端LCD液晶显示P0口P2口P1口单片机图1.1直流电机PWM调速方案7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82.1.3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。2.1.5直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁+AB-abcdNS图1.1直流电机工作9（2）转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图2.3直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）……………………………………………式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为：n=Ua-IR/CeΦ……………………………………………式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。由1.1式和1.2式得n=Ea/CeΦ………………………………………………式1.3由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM电机调速原理raEanT0T2IUT1ΦRc说明:U………………电压Ea………电枢电动势n…………………转速I………………电枢电流ra………电枢回路电阻Rc………外在电枢电阻T1，T2………负载转矩T0…………空载转矩Φ………………磁通量10对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。图2.3施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：U平=U·D……………………………………………式1.4由式1.3得到：n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD；在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图2.4占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。最大值Vmax平均值Vd最小值Vmint1t2T图1.3PWM调速原理图11由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。2.1.6电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地]连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示●2SK1058:CMOSS管●74L26:三太门●1N4006:二极管●VSCOURCE:电源●MOTOR-ENCODER:直流电机●RES:电阻●AT89C51:单片机(在此并未显示)图2.5直流电机驱动电路U1U2U3+5使能IN1IN2R11R12R1312VR14R15R16使能1输入12输入27输出26输出13VCC116VCC28GND4.5.12.1324VMGD1D2D4D324V直流电机驱动芯片光耦隔离L29812然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用L298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块如图2.6所示。所用元器件如下所示：●1N4004:二极管●AT89C51:单片机(在此并未显示)●R:电阻●MOTOR-ENCODER:直流电机●L298:电机驱动芯片2.1.7程序设计流程图定时中断服务设置一定的周期0FF00H将从键盘(中断)读取的数据送到TH0中,从而设置脉宽通过定时中断不停给电机驱动芯片输出脉冲初始设置RETI图2.7定时中断服务流程图132.2直流电机的中断键盘控制模块2.2.1外部中断设置（1）外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放外部中断0的设置：SETBEX0SETBEA开放外部中断0和1的设置：SETBEX0SETBEX1SETBEA（2）外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0电平触发设置方法：CLRITX，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法：SETBITX＝1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。（3）外部优先级设置外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器14实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。×××PSPT1PX1PT0PX02.2.2外部中断扩展方法