1、直流电机转速测量与控制概述苏州大学城市轨道交通学院课题名称：直流电机转速控制与测量学 院： 城市轨道交通学院 班 级： 10级通信工程 学 号： 1042401045 姓 名： 袁 圆 其他成员： 李吟乔 王佳毓 苏朗 直流电机转速测量与控制一、 设计要求1) 电机转速比例测量，并数码管显示；2) 电机转速由按键设定，步长为1rad/min。二、 直流电机转速测量与PWM控制的基本原理:直流电机的工作原理为：直流电机的磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，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
2、的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。由于方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，因此我们通过单片机的控制电路改变占空比，从而改变有效电压，以此控制电机的转速。即采用PWM（脉宽调制）方法实现调速。三、 设计方案程序应用模块化进行设计，主要有初始化模块、显示模块、读键模块、数制转换模块、双字节除法模块、中断模块和控制调节模块。初始化模块：8155工作方式、T0和T1工作方式、标志位状态、所用单元初值、中断设置以及初始显示等。显示模块：设定值和实测值的数值与字符动态显示。读键模块：从I/O口依据某位数码管亮时读入小按键是否有效，然后根据四个小键盘的不同功能进行相应的处理
3、，只要设定值一改变立刻显示。加1键和减1键要有连加连减功能。数制转换模块：将二进制转换为十进制。外部中断模块：将转1圈的时间通过双字节除法程序求出即时转速。定时中断模块：PWM输出波形形成。控制调节模块：通过设定值和实测值的比较来改变脉冲波的占空比，该数据的调节分为简单比例调节PP和比例积分调节PI。调节公式分别为：YK=YK1+KP*EKYK=YK1+KP*EK+KI*EK2YK：要输出的数据YK1：上次输出的数据EK：设定值和实测值的差值EK1：上次的EK值EK2：EK-EK1的差值KP：比例系数（设KP=12）KI：积分系数（设KI=12）四、 硬件设计我们将整个模块分为以下几个部分：控
4、制部分，驱动电路和负载的续流电路。4.1控制部分图4.1 系统方框图控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机具有PWM功能。通过对单片机的初始化设置，使其自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比的时候CPU才干预。4.2驱动电路的设计开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小；器件关断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。通过控制开关的频率和脉宽，可以对
5、电机的转向进行控制。我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号，我们使用的是L298的芯片（如图4.2）。图4.2 L298引脚及外形图表4.1 L298引脚符号及功能一般利用H桥电路来实现调速。H桥驱动电路：图4.3 H桥驱动电路图4.3中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4
6、个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.3及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动
7、电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图4.4 H桥电路驱动电机顺时针转动图4.5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.5 H桥电路驱动电机逆时针转动可以把Q1跟Q4接在一起，Q3跟Q2接在一起，这样只要两个单片机I/O口就行。这个桥式电路图只用来说明原理，实际应用还要看电机的额定电压、电流。也可以用L293、L298直流的集成芯片。我们采用的是模块是H桥芯片L298,图4.6所示是L298的内部原理图。图4.6 L298内部原理图L2
8、98需要2个电压，一个为逻辑电路工作时所需要的5V电压VCC，另一个为功率电路所需的驱动电压VSS。驱动电路的输入可直接与单片机的引脚相连，为了进一步提高抗干扰能力我们还使用了光电耦合器件组成的隔离电路和控制电路和动力电路进行电气隔离。参见表4.1。原理分析：使能端输入使能，控制输入端A端输入PWM信号，控制输入端B端输入PWM的反相信号，在一个PWM周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的速度和方向均由PWM决定。PWM占空比为50%（数码管显示50）时，对应的电机的转速为+113r/min， 为电机初始转速。占空比为0%-50%（数码管显示0-50）的时候电机的转速是63-113r/mi
9、n；占空比为50%-99%（数码管显示50-99）的时候电机的转速是113-162r/min。电机的转动速度由PWM脉冲方波的占空比决定。占空比越大则速度越快，即电机加速，占空比减小则是电机转动速度减慢，即电机减速（转速控制通过电路中SPEED UP和SLOW DOWN两个按键输入改变），键盘设置见图4.7。图4.7 直流电机转速测量与控制电路模块图4.3续流电路的设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压，损坏器件。我们应用二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用必须要根据PWM的频率和电机的电流来决定。二极管要有足够迅速的恢复时间和足够
10、的电流承受能力。电流如果突变易损坏功率管即L298芯片。为保护芯片而加上续流电路，如图4.8所示。图4.8 续流电路工作原理图4.4整个电路原理图五、 程序设计1） 设计流程图2）源程序#includesbit pwm=P00;sbit MOTOR_ENA=P17;sbit led1=P01;sbit led2=P02;unsigned char pwm_count;volatile unsigned char pwm_duty;/占空比系数unsigned char code DSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f
11、; void DelayMS(unsigned int x) unsigned char t; while(x-) for(t=0;t100;t+); void display()led1=0;P2=DSY_CODEpwm_duty/10;DelayMS(1);led1=1;led2=0;P2=DSY_CODEpwm_duty%10;DelayMS(1);led2=1; /* 初始化*/void intial()pwm_count=0;pwm_duty=50;/50% dutyIE|=0x87;/1000 0111IP=0x04;/0000 0100 外部中断1高优先级TMOD=0x02;/定
12、时器0，方式2IT0=1;IT1=1;/外部中断下降沿触发TR0=1;/启动定时器0TH0=256-10;/定时10us ，假定晶振频率12MHzP2=0;P0=0;MOTOR_ENA=1;led1=1;led2=1;P2=0;void main()intial();while(1)display();void pwm_gernate() interrupt 1 /定时器0中断子程序pwm_count+;if(pwm_count99)pwm_duty=99;void pwm_down()interrupt 2/外部中断1子程序if(pwm_duty=0) pwm_duty=1; pwm_dut
13、y-; 六、 实验结果上电，数码管显示初始态50，此时电机实际转速为+113r/min。见图6.1。图6.1 电路上电初始态 上电后电路接通，闭合开关SW2，速度初始化为50（实际转速+113r/min）。按键开关SPEED UP和SLOW DOWN分别控制电机转速的快慢，步长为1（实际速度为1r/min）。开关SW-spdt为中止开关。 PWM端接示波器，可以观察PWM脉宽调制，此时为占空比50%的情况。（见下图6.2）图6.2 PWM端示波器脉宽调制显示（此为占空比50%的情况）七、 测速原理分析1.光电盘测速示意图:图7.1 光电测速示意图光码盘测速是一种精度较高的测速方法。由于光码盘原
14、理和结构上的特点,测速精度不可能达到相当高的程度,但其廉价和方便性是显而易见的。光码盘原理简单,输出精度和分辨率高,寿命长,比较适合部队装备使用的要求。基本的测速装置如图7.2所示。图7.2 测速装置功能结构框图2. 速度信号采样电路速度信号采集采用光码盘转换电路,如图7.3 所示。发光二极管LED 发出红外光,透过遮光板TLP 的圆孔照射光敏三极管T1 ,使其迅速由截止状态变为导通,如此反复形成光脉冲信号,经T2 的放大,再由74LS04反向整形后送给单片机。为了提高响应速度,选用脉冲响应时间为50ns 的GaA1As 红外发光二极管,将光敏三极管做光敏二用另外数据的处理由单片机完成。设:
15、n 电机转速(r/ min) N 一个采样周期T 内计数器记录的光脉冲的个数P 测速盘开孔的总数T 采样周期(s) f 脉冲频率则:Tnp/ 60 = N因此电机转速为:n = 60N/ (PT)图7.3 光码盘转换电路3.测试结果测速精度可由下式得到:n =(nxn0)/n0100 %式中,nx 为转速测量值,n0 为转速实际值。Proteus仿真中所用的直流电机自带显示转速功能，转速范围为63r/min162r/min。数码管显示数字每变化单位“1”，电机转速就随之变化1r/min。八、 实验总结1.整个过程中出现的问题及解决的方案。（1）选题 本次小组设计我们的题目是直流电机转速的测量与
16、控制，相对比较难，也是对我们的考验，在没有什么设计经验的前提下，对于我们来说压力还是很大的。(2)电动机组的选择 本设计需要较精确的控制,需要用配置较高的直流电机才能实现设计的全部功能，由于条件所限，没有买到十分合适的电机，本实验中均由仿真代替。(3)驱动电路的选择 刚开始的时候，我们不知道选择什么样的驱动电路，经过查阅资料，采用了驱动能力较强的驱动芯片 L298，该芯片电压电流的范围较宽，响应频率高，方便使用 PWM 调节电机。 2.团队管理的心得体会 通过学期的课程设计，我们真正体会到什么是团队协作，真正的了解到团队合作的有利之处，真正感受到团队成员为了共同的目标联合在一起时的强大的力量。
17、我们之所以称为是一个团队，是因为我们有共同的目标 完成好实验设计。 团队成员之间要相互信任、相互帮助。但遇到困难时，要同心协力，不要相互推脱责任，更不能相互指责，我们应该心平气和的好好商量一下，这个问题到底该怎么解决。在团队的管理中，要充分照顾好每一个人的意见，对于一个问题，要集思广益，运用集体的智慧来完成它。我们主要有以下心得体会：(1) 要有奉献精神，不要怕自己多做了，不要怕自己承担的任务有多重，而其他成员做的很少。多去做一点又不会吃多少亏，还能学到更多的东西。这样当其他成员不能有效的完成任务时，团队还可以有效的运行。团队成员之间应团结互助，不计功过得失；(2) 分工上不能马虎，要具体到个
18、人，每个人负责哪部分任务，什么时候完成，都要有明确的说明。这一点我们庆幸自己做的很好，从一开始我们就通过集体商量确定各个成员的分工，接下来每位成员都只用按照自己的任务按部就班的执行下去，效率非常的高。分配各成员工作时，应各尽其能，做到资源优化配置；(3) 具体工作时，各成员应频繁交流，避免各自为政，最后导致软硬件不兼容，或是论文作者无从下手；(4) 当工作出现问题是，各成员应仔细商讨，尽快找到问题的症结，决不应推卸责任，更不能相互埋怨；(5) 每个团队都应有一个核心，负责协调各成员之间的工作，调节各成员之间关系，使团队和谐发展，使各成员为尽早完成任务而努力；此核心成员还应该兼通软硬件设计，从而
19、沟通软件编程人员和硬件设计人员，在出现问题时能从全局考虑尽快解决。第三部分：课程设计的心得体会在这一学期的单片机课程中，我们学到了许多关于单片机系统开发的知识，从最开始选题到最后的结题，更使我们得到了充分的锻炼。虽然在这期间，我们也曾灰心，也曾茫然，也曾不知所措，从一开始的毫无头绪，到最后的紧张繁杂，所有的这些都令我们回味无穷，这已经成为了我们人生的一个宝藏。我想今后的学习和工作也是这样的，汗水见证成功，大家为了一个共同的目标，相互合作，共同奋斗。在这次的课程设计中，我们遇到了很多困难，过程很艰难，但是我们都克服了，这是对我们自己的肯定。我们也发现理论和实际的差别，书本上的知识固然重要，但是我们也需要学会使用它们，把他们运用到我们的实验设计中。 这次的单片机课程使我们学到了很多，不单单是课本上那些知识，更重要的是一些课本上没有但是有很重要的知识,像是团队合作精神，查找电路的故障等等。我们觉得这些无形之中学到的知识更加弥足珍贵！最后，我们真心感谢仲兴荣老师能够在我们的实验设计过程中给予我们有效的建议和悉心的指导。 九、 参考文献1陈蕾，邓晶，仲兴荣 . 单片机原理与接口技术 M . 北京：机械工业出版社，2012 .2余小平，奚大顺 . 电子系统设计基础篇 M . 北京：北京航空航天大学出版社，2010 .3邹久朋 . 80C51单片机实用技术M. 北京：北京航天航空大学出版社 .
