学士学位论文直流电机控制设计.docx
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学士学位论文直流电机控制设计
摘要
当今,自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展,而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。
长期以来,直流电动机因其转速调节比较灵活,方法简单,易于大范围平滑调速,控制性能好等特点,一直在传动领域占有统治地位。
[2]
本毕业设计主要是通过PWM调速器实现直流电机的正转、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。
关键词:
直流电机,AT89C51单片机,PWM调速,仿真
Abstract
Nowadays,automationcontrolsystemhasbeenwidelyusedinallwalksoflifeanddevelopment,andDCdrivecontrolasamainstreamelectricdriveplaysamajorroleinthemodernizationofproduction.Foralongtime,becausetheDCmotorspeedregulationismoreflexible,simple,easy-to-large-scalesmoothspeedcontrolperformanceandgoodfeatures,hasbeenthedominantinthefieldoftransmission.
ThegraduationprojectismainlyachievedbyPWMDCmotorspeedcontrollerforward,reverse,speedup,slowdown,stopandotheroperations,andtoachievethesimulationofthecircuit.Toachievemicrocomputercontrolsystemdesign,usingacontrolcircuitAT89C51microcontrollerasthecoreoftheentirecontrolsystempart,withvariousdisplaydrivermodule,theparametersofthemotorspeeddisplayandmeasurement;bythecommandinputmoduleopticalisolationmoduleandH-drivemodule.Usingaseparatekeyboardwithinterruptinputasacommand,themicrocontrollerunderprogramcontrol,continuousopticalisolationcircuittotransmitPWMwaveform,H-drivemotorreversingcontrolcircuitiscompletedinthedesign,usingPWMspeedcontrolmodebychangingthuschangingthedutycycleofthePWMmotorarmaturevoltage,andthusrealizethemotorspeed.Thewholecontrolsystemdesign,thehardwarestructurewithalotofintegratedcircuitmodule,greatlysimplifyingthehardwarecircuittoimprovethestabilityandreliabilityofthesystem,sothatoverallsystemperformanceisimproved.
Keywords:
Dcmotor,AT89C51microcontroller,PWMspeed,,Simulation
1绪论
1.1系统背景
直流电机(directcurrentmachine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。
它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。
直流电机由于具有速度控制容易,启、制动性能良好,且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。
[3]
直流电动机转速的控制方法可分为两类,即励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,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。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
调节电阻R即可改变端电压,达到调速目的。
但这种传统的调压调速方法效率低。
随着电力电子技术的进步,发展了许多新的电枢电压控制方法,其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。
其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度,在脉宽调速系统中,当电机通电时,其速度增加;电机断电时,其速度减低。
只要按照一定的规律改变通、断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一稳定值。
利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术,尤其是在对电机的转速控制方面,可大大节省能量。
PWM具有很强的抗噪性,且有节约空间、比较经济等特点。
模拟控制电路有以下缺陷:
模拟电路容易随时间漂移,会产生一些不必要的热损耗,以及对噪声敏感等。
而在用了PWM技术后,避免了以上的缺陷,实现了用数字方式来控制模拟信号,可以大幅度降低成本和功耗。
本次设计采用的就是PWM调速技术。
1.2PWM调速基本原理
PWM调速总的来说是通过固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过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”。
[6]
下面来详细介绍PWM调速的原理:
(1)直流电机转速
直流电机的数学模型可用图1-1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1-1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。
[11]
(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图1-2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1-2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式1-5
在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ,是常数。
图1-3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
图
图图1-3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。
1.3PWM调速的优越性
自从全控型电力电子器件问世以后,就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器—直流电机调速系统,PWM的H型属于调压调速,PWM的H桥能实现大功率调速;国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。
本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。
与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性:
[9]
主电路线路简单,需用的功率器件少。
开关频率高,电流容易连续,谐波少,电极损耗及发热都较小。
低速性能好,稳态精度高,调速范围宽,可达1:
20000左右。
若是与快速响应的电机配合,则系统频带宽,动态响应快,动态抗干扰能力强。
功率开关器件工作在开关状态,通道损耗小,当开关频率适中时,开关损耗也不大,因而装置效率高。
直流电机采用不控整流时,电网功率因素比相控整流器高。
由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛,特别在中、小容量的高动态性能中。
已完全取代了V--M系统。
为达到更好的机械特性要求,一般直流电动机都是在闭环控制下运行。
经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反
馈。
1.4直流电机控制系统概述
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。
2直流电机控制系统硬件设计
2.1直流电机控制系统基本原理
主体电路:
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由80C51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80C51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。
2.2直流电机控制系统总体设计框图
系统组成:
直流电机PWM调速方案如图2-1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。
[5]
图2-1直流电机PWM调速方案
2.3各电路模块原理
2.3.1AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
[7]其引脚如图2-2所示。
图2-2AT89C51引脚
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为
输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
[1]
2.3.2L298电机驱动模块
L298直流电机驱动简介
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片的主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱
动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载;采用标准TTL逻辑电
平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作;有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
[7]
L298的引脚功能
L298芯片的引脚图如下图2-3,其引脚功能见表2-4。
图2-3L298引脚图
L298的典型应用
驱动直流电机、步机电机
伺服机构系统位置与转速
应用于机器人控制系统
应用于数字控制系统
应用于电脑打印机与绘图仪
表2-4L298引脚功能表
引脚
符号
功能
1
15
SENSINGA
SENSINGB
此两端与地连接电流检测电阻,并向驱动芯片反馈检测到的信号
2
3
OUT1
OUT2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端,用来连接负载
4
Vs
电机驱动电源输入端
5
7
IN1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号,用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENABLEA
ENABLEB
使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号;低电平时全桥式驱动器禁止工作。
8
GND
接地端,芯片本身的散热片与8脚相通
9
Vss
逻辑控制部分的电源输人端口
10
12
IN3
IN4
输入标准的TTL逻辑电平信号,用来控制全桥式驱动器B的开关
13
14
OUT3
OUT4
此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端,用来连接负载
表2-5L298的运行参数
参数
符号
测试环境
最小值
典型值
最大值
单位
驱动电源电压
Vs
持续工作时
2.5
—
46
V
逻辑电源电压
Vss
—
4.5
5
7
V
输入低电平电压
ViL
—
-0.3
—
1.5
V
输入高电平电压
ViH
—
2.3
—
Vss
V
使能端低电平电压
Ven=L
—
-0.3
—
1.5
V
使能端高电平电压
Ven=H
—
2.3
—
Vss
V
全桥式驱动器总的
电压降(每一路)
VcE〔sat)
IL=1A
IL=2A
1.8
—
3.2
4.9
V
V
检测电压1,15脚
Vsen
—
-1
—
2
V
L298的逻辑控制
L298的逻辑控制见如下表2-6。
其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4;L为低电平,H为高电平,※为不管是低电平还是高电平。
表2-6L298对直流电机控制的逻辑真值表
输入
输出
Ven=H
C=H;D=L
正转
C=L;D=H
反转
C=D
制动
Ven=L
C=※;D=※
没有输出,电机不工作
2.3.3H桥驱动电路简介
由两个三极管,一个可以对正极导通实现上拉,另一个可以对负极导通实现下拉。
由两套这样的电路,在同一个电路中,同时一个上拉,另一个下拉,或相反,两者总是保持相反的输出,这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。
由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样,故得名H桥。
图2-7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2-7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。
[10]
图2-7H桥驱动电路
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2-8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,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
[12]
图2-8H桥电路驱动电机顺时针转动
图2-9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2-9H桥驱动电机逆时针转动
2.3.4直流电机模块
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。
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2-10所示。
图2-10直流电动机结构
直流电机电路模型如图2-11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。
[8]
图2-11直流电动机电路模型
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。
2.3.5液晶显示模块
本次设计采用LCD1602液晶显示模块.1602是能显示2行,每行16个字符,字符
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