完整word版PWM波直流电机速度调节系统.docx
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完整word版PWM波直流电机速度调节系统
课程设计
设计题目:
PWM波直流电机速度调节系统
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一引言1
1.1开发背景2
1.2数字控制器D(z)5
2.38051单片机简介……………………………………………………………
摘要:
在国民生产中,随着现代技术的发展,电力电子技术已得到了全面的发展,其技术已应用到各个领域。
在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能。
关键字:
80c51单片机;PWM调速技术;直流电动机
一引言
1.1开发背景
1绪论
1.1课题的研究背景和意义
直流电动机是最早出现的电动机,也是最早能实现调速的电动机。
长期以来,直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高的效率,优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战,但到目前为止,它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来,直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现,使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PulseWidthModulation,简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
这控制方式很容易在单片机控制中实现,从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来,直流电气传动经历了重大的变革。
首先,实现了整流器件的更新换代,从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置,到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统),使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制,变换器的产生,不仅在经济性和可靠性上有所提高,而且在技术性能上也显示了很大的优越性,使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外,集成运算放大器和众多的电子模块的出现,不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展,数字信号处理器单片机应用于控制系统,控制电路己实现高集成化,小型化,高可靠性及低成本。
以上技术的应用,使系统的性能指标大幅度提高,应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高,调速范围广,所以,在对调速性能要求较高的场合,一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展,走向成熟化、完善化、系统化、标准化,在可逆、宽调、速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位。
目前,国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性,应用最小二乘法,即可获得系统或环节的内部参数,所获的参数具有较高的精度,方法简便易行。
张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。
该方法依据内模控制原理,针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器,取代常规的PI调节器,成功解决了转速超调问题,能使系统获得优良的动态和静态性能,而且设计方法简单,控制器容易实现。
董芳英等人提出采用模糊控制方法,对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。
经1.SKW电机试验证明,模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制,并能获得理想的控制曲线。
由于单片机以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。
所以,数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。
而且通过系统总线,数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换,实现生产过程的分级自动化控制。
所以,直流传动控制采用单片机实现数字化,使系统进入一个崭新阶段。
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展,到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。
1.2数字控制器D(z)
假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示,用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D(z),
二直流电动机调速概述
2.1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:
n=U/Cc
-TR内/CrCc
其中:
U—电压;
—励磁绕组本身的电阻;
—每极磁通(Wb);Cc—电势常数;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。
所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
图1-1直流电机的工作原理图
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。
在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。
脉宽调速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”。
图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图
根据上图,如果电机始终接通电源时,电机转速最大为
,占空比为D=
/T,则电机的平均速度为:
,可见只要改变占空比D,就可以得
到不同的电机速度,从而达到调速的目的。
2.2直流调速系统实现方式
PWM为主控电路的调速系统:
基于单片机类由软件来实现PWM,在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压
不变的情况下,电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小,改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法:
A、定宽调频法:
保持
不变,只改变t,这样使周期(或频率)也随之改变。
B、调宽调频法:
保持t不变,只改变
,这样使周期(或频率)也随之改变。
C、定频调宽法:
保持周期T(或频率)不变,同时改变
和t。
2.38051单片机简介
1.8051单片机的基本组成
8051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。
其基本组成如下图所示:
8051基本结构图
2.8051单片机引脚图
8051单片机引脚图
三硬件电路设计
本系统采用80C51控制输出数据,由PWM信号发生电路产生PWM信号,送到直流电机,从而实现对电机速度和转向的控制,达到直流电机调速的目的。
3.1PWM波形的程序实现
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TO,T1作定时器使用,工作在方式1,定时时间为0.1ms,若PWM波形的频率为50Hz,占空比为1:
1,则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示:
图2-1程序流程图
3.2直流电动机驱动
在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动,系统采用集成电路L298来驱动电机
L298内部结构和功能引脚图
L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其内部有两个完全相同的功率放大回路。
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:
地
VSS:
电机驱动电源,最小值需比输入的低电平电压高
当使能端为高电平时,输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转;输入端IN1为低电平信号,IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。
当使能端为低电平时,电动机停止转动。
3.3续流电路设计
由于电机具有较大的感性,电流不能突变,若突然将电流切断,将在功率管两端产生很高的电压,损坏器件。
我们在此电路中应用的是二极管来续流,利用二极管的单向导通性。
二极管的选用要根据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的电流承受能力。
由于电机具有较大的感性,电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。
为保护芯片加上洗续流电路。
电路的工作原理替如图3.7所示。
电路的工作原理:
当电机正转时,若突然掉电,D1、D4导通,D2、D3截止;当电机反转时,突然掉电D2、D3导通,D1、D4截止。
续流电路工作原理图
四软件设计
4.1主程序设计
该主程序主要完成初始化,设置定时常数和中断入口程序,主程序不断的循环处于等待中断状态.
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0003H
LJMPINT0;T0中断
ORG000BH
LJMPITT0;T1中断
ORG0030H;系统初始化
START:
MOVSP,#60H;赋初值堆栈指针
MOVR0,#00H;给R0送值0
MOVR1,#00H;给R1送值0
CLRP1.5;置0
CLRP1.6;置0
CLRP1.7;置0
MOVTMOD,#01H;写控制字控制方式
MOVTL0,#0FFH;置定时常数
MOVTH0,#0FFH
SETBEA;允许中断
SETBEX0;允许外部中断0
SETBET0;允许TL0中断
CLRIT0
SETBTR0;启动TL0
图3-1主流程图
4.2数码显数设计
通过P1.1,P1.2口来控制数码,显示通过查表和调用延时实现数的显示
程序代码:
MOVDPTR,#TAB
MOV40H,#0;置0
MOV41H,#0;置0
LED:
SETBP1.1;P1.1置1
CLRP1.2;P1.2清0
MOVA,40H;将40H的内容送往A
MOVCA,@A+DPTR;查表
MOVP0,A;查表所得A值送往P0口
LCALLTTS;调用延时
CLRP1.1;P1.1清0
SETBP1.2;P1.2置1
MOVA,41H;将41H的内容送往A
MOVCA,@A+DPTR;查表
MOVP0,A;查表所得A值送往P0口
LCALLTTS;调用延时
CLRP1.2;P1.2口清0
LJMPLED;跳转到LED
ORG2000H
TAB:
DB40H,79H,24H,30H,19H
DB12H,02H,78H,00H,10H
4.3功能程序设计
结束中断后转入相应的功能键程序,为加速、减速、正转、反转、暂停
程序代码:
ITT0:
CPLP1.5;P1.5口取反
JNBP1.5,Z1
MOVA,#0FFH;低电平定时
SUBBA,R0
MOVTH0,A
SETBTR0;启动TL0
RETI
Z1:
MOVTH0,R0;高电平定时
SETBTR0
RETI
INT0:
CLREX0;实现键盘控制
MOVA,#0FFH
MOVP2,A
MOVA,P2
JNBACC.0,JIA
JNBACC.1,JIAN
JNBACC.2,FF
图3-2数码显示流程图图3-3中断子程序流程图
JNBACC.3,ZZ
JNBACC.4,TZ
AJMPCC
JIA:
CJNER0,#0FFH,AA;实现电机加速
AJMPCC
AA:
MOVA,R0
ADDA,#25
MOVR0,A
AJMPCC
JIAN:
CJNER0,#00,BB;实现电机减速
AJMPCC
BB:
MOVA,R0
SUBBA,#25
MOVR0,A
AJMPCC
CC:
MOVA,R0;数码显数
MOVB,#25
DIVAB
MOVB,#10
DIVAB
MOV40H,A
MOV41H,B
SETBEX0
LCALLTTS;调用延时
LCALLTTS;调用延时
LCALLTTS;调用延时
LCALLTTS;调用延时
RETI
FF:
SETBP1.6;电机反传
CLRP1.7
LCALLTTS
LCALLTTS
LCALLTTS
SETBEX0
RETI
ZZ:
CLRP1.6;电机正转
SETBP1.7
LCALLTTS
LCALLTTS
LCALLTTS
SETBEX0
RETI
TZ:
CLRP1.6;实现电机停止
CLRP1.7
LCALLTTS
LCALLTTS
LCALLTTS
SETBEX0
RETI
TTS:
MOVR3,#0E0H;延时子程序
TT1S:
MOVR4,#40H
TT0S:
DJNZR4,TT0S
DJNZR3,TT1S
RET
END
4.4仿真图
在该设计中,利用Proteus软件进行仿真。
仿真结果如图3-4所示:
图3-4仿真图
相应电机的显示如图3-5所示
图3-5仿真结果
4.5仿真结果分析
当仿真开始运行时,各个模块处于初始状态。
点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。
显示模块便开始显示数字,然后点击正传或是反转。
电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。
且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。
因此,从仿真结果可以看出,本设计可以得到预期的仿真效果。
五心得体会
通过本次课程设计,使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。
不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固,同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。
在本次课程设计过程中,我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源,其中包括:
直流电机PWM调速、80C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等,为本次课程设计提供了一定的资料。
在做课程设计的初期阶段,难度很大,没有头绪。
通过求助于殷老师、理清了思路。
同时,在图书馆里、网上查阅资料,攻克了课程设计中的道道难题。
最后经过指导老师张老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。
办事只要有了头绪,就会简单很多。
本次设计我能独立完成,算是有了很大的收获。
总的感受有以下几方面:
1、通过本次设计,我不但对单片机有了更为深入的了解,对一个课题如何画流程图,编程序等有了一定的认识。
2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力,从中学习到如何去思考和解决问题,以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。
特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性,以及两者的联系和配合作用。
3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。
同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅,让我知道做任何事情都应脚踏实地,刻苦努力地去做,只有这样,才能做好。
参考文献
[1]王离九,黄锦恩编著,晶体管脉冲直流调速系统,华中理工大学出版社出版
[2]丁元杰主编,上海市教育委员会组编,单片微机原理及应用,机械工业出版社
[3]李荣生主编,电气传动控制系统设计指导,机械工业出版社
[4]吴守箴,臧英杰编著,电气传动的脉宽调制控制技术,机械工业出版社
[5]陈伯时主编,自动控制系统---电力拖动控制,中央广播电视大学出版社
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