PWM脉宽调制的直流电机控制设计.doc

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1、摘要介绍一种单片机（如89C51型）在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。直流电动机转速控制系统采用了元器件测量电动机的转速，用此种单片机对直流电动机的转速进行了控制，用LCD液晶显示实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且，从控制的角度来看，直流调速还是交流拖的动系统的基础，早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直

2、流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使许多控制动能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。关键词：单片机 直流电机 转速控制 PWM目录1前言12方案设计22.1 设计要求22.2 工程方案23电路设计33.1 直流电机结构33.2 直流电机的工作原理33.3 直流电机PMW调速原理43.4 电机驱动模块的电路设计54程序设计74.1 程序流程设计74.2 程序详细设计85系统仿真95.1 仿真步骤95.2总体电路模块96 总结与体会10参考

3、文献资料11附录121前言随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维

4、护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。2方案设计2.1设计要求本课程设计一个直流电机控制装置，可以实现对直流电机的启动、停止以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速。2.2工程方案直流电机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：

5、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。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AT80C51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，如图2.1所示。图2.1 设计原理图 图2.1 PMW直流电机设计框图3

6、 电路设计3.1 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（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3.1所示。图3.1 直流电动机结构3.2 直流电机的工作原理直流电机电路模型如图3.2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3.2 直流电动机电路模型3.3直

7、流电机PMW调速原理3.3.1直流电机转速直流电机的数学模型可用图3.3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3.3 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/Ce 式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量

8、。由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce 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。3.3.2 PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为3.4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3.4 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

9、动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为： U平=UD 式1.4由式1.3得到：n =Ea/CeUD/ Ce=KD 在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。图3.5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3.5 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。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。3.4 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，选用L298芯片来构成的基本电路结构。从PROTEUS选取

10、元器件，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3.6所示。图3.6 直流电机驱动电路4程序设计4.1程序流程设计本设计的程序分为两个部分，中断程序部分和显示程序部分。其流程图见下：中断X0=0加速操作，RETIX1=0X2=0X3=0X4=0减速操作，RETI正转操作，RETI反转操作，RETI停止操作，RETI图4.1中断流程图开始对LCD进行初始化操作将提示的内容送中并使其显示早第一行DelayDelay把键盘读取的速度和方向送入，并显示在第二行电机速度等于判断是否有命令输入图4.2显示部分的流程图4.2 程序详细设计源程序代码及其详解见附录5 系统仿真5.1

11、仿真步骤（1)程序设计后，用汇编软件编译，生成.HEX文件。（2)在proteus中加载.HEX文件。（3)点击开始仿真软件，进行仿真。5.2总体电路模块 本次课程设计以8051单片机系统和L298电机驱动部分组成。由键盘K1和K2发出指令，单片机处理后经P0口发出矩形波，通过占空比的调节达到电机调速的目的。总体电路模块如图5.2所示：图 5.2总体电路模块 6总结与体会转眼间为期两周的计算机控制技术课程设计结束了。这次的设计虽然时限不长，但是就在这短短的两周中，我学到了很多，也感受颇多。在此次综合课程设计，在我看来不仅仅是单纯的一个单片机的应用，而是多学科多领域的综合设计。做完这次设计，我深

12、有体会。首先，做这个设计不是光靠学好微机原理这一门课就可以的。我充分体会到了要全面发展，各个学科都要学好，知识的全面性很重要。比如在编写程序时，我们就明显感觉到了汇编语言的基础不够扎实，而当我们真正开始做设计的时候才发现一个课程的项目设计是需要其他许多项目来给它做基础的。其次，做这个设计不是光靠学好书本上的知识就够的。设计的灵魂便在于它的理念，要做出一个好的设计作品来，需要你平时对生活有足够的观察和了解，古话说，学以致用，及时你设计出来的东西原理再高深，但在实际生活中却无处可用，那也是没有任何价值的。所以在刻苦学习的同时，也要关注社会动态，了解人民生活所需，有一个正确的设计理念才能使自己走对第

13、一步棋。参考文献资料1李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社，20022李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天大学出版社3张迎新.单片机初级教程.北京航空航天大学出版社出版社4 于永，戴佳.51单片机.电子工业出版社 附录程序代码及其详解：ORG 0000H SJMP DISPLAY ORG 0003H LJMP BUTTON ; 外部0中断入口地址 ORG 000BH LJMP DINGSHI ; 定时中断T0入口地址 RS EQU P3.0 RW EQU P3.1 E EQU P3.4 ORG 0030H ; DISPLAY: SETB EA ; 打开中断总开

14、关 SETB EX0 ; 打开外部中断0开关 SETB IT0 ; 打开外部中断0下降沿触发 MOV TMOD,#01H ; 设置定时工作方式 MOV TL0,#0FFH ; 设置定时初值 MOV TH0,#0FFH SETB ET0 ; 打开定时中断T0开关 CLR P0.5 CLR P0.6 CLR P0.7 SETB TR0 ; 定时器T0开始定时 MOV DPTR,#TAB ; 夜晶显示的字符首地址 MOV R0,#00H ; 脉宽的初值 MOV R1,#16 ; SET SPEED PLEASE的字符个数 MOV R3,#00H MOV R4,#00H LP9: LCALL CHUS

15、HI LP2: ACALL BUSY MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS INC DPTR DJNZ R1,LP2 LP3: CJNE R3,#00H,LP4 CJNE R4,#00H,LP4 SJMP LP3 LP4: MOV R7,#00H ; 中断的标志 MOV R5,#09H ; CURRENT : 的字符个数 ACALL BUSY MOV P1,#0C0H ACALL ENABLE MOV DPTR,#MMTAB ACALL BUSY LP5: MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV P1,A INC DPTR

16、 ACALL DATAS ACALL BUSY DJNZ R5,LP5 MOV DPTR,#STAB MOV A,R2 MOV P1,A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R3 ; 显示速度的十位 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS ACALL BUSY MOV A,R4 ; 显示速度的个位 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DATAS ; 使夜晶始终显示当前电机的速度 LP8: CJNE R7,#00H,LP7 ; 速度不变时等待 LJMP LP8 ; 速度变时重新读入速度 LP7: SJMP LP4 CHUS

17、HI: ; 使夜晶显示的一些初始设置 ACALL BUSY MOV P1,#00000001B ; 清屏并光标复位 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00111000B ; 设置显示模式:8位2行5x7点阵 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00001111B ; 显示器开、光标开、光标允许闪烁 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#00000110B ; 文字不动，光标自动右移 ACALL ENABLE ACALL BUSY MOV P1,#80H ; 写入显示起始地址 ACALL ENABLE RETEN

18、ABLE: ; 写入控制命令的子程序 SETB E CLR RS CLR RW CLR E RET DATAS: ; 写入数据子程序 SETB E SETB RS CLR RW CLR E RET BUSY: ; 准备写入数据 CLR E MOV P1,#0FFH CLR RS SETB RW SETB E JB P1.7,BUSY RETORG 2000HDINGSHI: ; 定时中断服务程序 CPL P0.7 JNB P0.7,Z1 ; 周期一定 MOV A,#0FFH SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0 RETI Z1: MOV TH0,R0 ; 脉宽 SETB T

19、R0 RETI BUTTON: ; 从控制键盘中读取操作命令 PUSH ACC CLR EX0 CLR EA INC R7 ; MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV A,P2 JNB ACC.0,AA0 JNB ACC.1,KK0 JNB ACC.2,ZZ JNB ACC.3,FF JNB ACC.4,WW0 AJMP QQAA0: CJNE R0,#0FFH, AA1 ; 加速操作 AJMP QQ AA1: MOV A,R0 ADD A,#5 MOV R0,A AJMP QQKK0: CJNE R0,#00,MM ; 减速操作 AJMP QQ MM: MOV A,R0 SUBB

20、A,#5 MOV R0,A AJMP QQQQ: MOV A,R0 MOV B,#5 DIV AB MOV B,#10 DIV AB MOV R3,A MOV R4,B SETB EX0 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EA POP ACC RETI ZZ: SETB P0.5 ; 正转操作 CLR P0.6 MOV R2,#2BH ; 正转标志 + LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETIFF: CLR P0.5 ; 反转操作 S

21、ETB P0.6 MOV R2,#2DH ; 反转标志 - LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI WW0: CLR P0.5 ; 停止操作 CLR P0.6 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY SETB EX0 SETB EA POP ACC RETI DELAY: ; 延时子程序 MOV R5,#0E0H MM0: MOV R6,#30H MM1: DJNZ R6,MM1 DJNZ R5,MM0 RET TAB: DB 53H,45H,54H,20H DB 53H,50H,45H,45H ;SET SPEED PLEASE 代码 DB 44H,20H,50H,4CH DB 45H,41H,53H,45H STAB: DB 30H,31H,32H,33H DB 34H,35H,36H,37H ; 0,1,2,3,4,5,6,7 代码 DB 38H,39H,41H,42H ; 8,9,A,B,C,D,E,F DB 43H,44H,45H,46H MMTAB: DB 43H,4FH,52H,52H DB 45H,4EH,54H,20H ; CURRENT : 代码 DB 3AH END19