计算机控制技术.docx
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计算机控制技术
PWM电机调速
目录
1、前言............................................................3
2、摘要............................................................3
3、教学目的及控制要求..............................................3
3.1教学目的.....................................................3
3.2控制要求.....................................................4
4、系统设计原理.....................................................4
4.1系统设计原理.................................................4
4.2PWM基本原理.................................................5
4.3方案选择.....................................................6
4.3.1改变电枢回路电阻调速....................................6
4.3.2改变励磁电流调速........................................6
4.3.3采用PWM控制的调速方法..................................6
5、硬件电路设计.....................................................8
5.1总体电路模块.................................................8
5.2单片机最小系统部分..........................................10
5.3电源部分....................................................10
5.4RS232串口电路..............................................11
5.5显示电路....................................................11
6、程序设计........................................................12
6.1程序设计思想................................................12
6.2程序框图....................................................12
6.3程序代码....................................................12
7、设计心得和体会..................................................16
8、小组分工........................................................17
9、参考文献.........................................。
..............17
1、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(PulseWidthModulation,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。
与交流电动机相比,直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难,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、摘要
脉冲宽度调制PWM(PulseWidthModulation),就是指保持开关周期T不变,调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。
本文利用单片机STC89C52RC设计了一个基于PWM控制的直流调速系统,通过单片机控制占空比的大小来实现对输入电压大小的控制,进而实现电机的调速。
关键词:
单片机直流电机转速控制PWM
3、教学目的及控制要求
3.1教学目的
计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程,具有很强的实践性,为了使学生进一步加深对计算机控制技术课程的理解,掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路,以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通,提高学生运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能,培养学生独立自主、综合分析与创新性应用的能力,特设立《计算机控制技术》课程设计教学环节。
3.2控制要求
设计一个直流电机调速系统,实现一个直流电机调压调速控制,用键盘实现对直流电机的起/停以及速度开环控制,需要有速度显示电路。
采用PWM方式控制。
单片机系统采用ISP方式编程,自己制作接口电路。
4、系统设计原理
4.1系统设计原理
脉宽调制技术是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控制技术的理论基础为:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
(1)
式中Ua——电枢供电电压(V);
Ia——电枢电流(A);
Ф——励磁磁通(Wb);
Ra——电枢回路总电阻(Ω);
CE——电势系数,,p为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体数。
由式
(1)可以看出,式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量,只要改变其中一个参量,就可以改变电动机的转速,所以直流电动机有三种基本调速方法:
(1)改变电枢回路总电阻Ra;;
(2)改变电枢供电电压Ua;(3)改变励磁磁通Ф
图1为PMW直流电机设计框图
图1PMW直流电机设计框图
4.2PWM基本原理
脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。
电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够,任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
简而言之,就是用改变电机电枢(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。
4.3方案选择
4.3.1改变电枢回路电阻调速
可以通过改变电枢回路电阻来调速,此时转速特性公式为
n=U-【I(R+Rw)】/KeФ
式中Rw为电枢回路中的外接电阻(Ω)。
当负载一定时,随着串入的外接电阻Rw的增大,电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大,电动机转速就降低。
Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速,转速变化率大,轻载下很难得到低速,效率低,故现在这种调速方法已极少采用,本次设计不采用。
4.3.2改变励磁电流调速
当电枢电压恒定时,改变电动机的励磁电流也能实现调速。
由式1-1可看出,电动机的转速与磁通Ф(也就是励磁电流)成反比,即当磁通减小时,转速n升高;反之,则n降低。
与此同时,由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积(即Te=CTФIa),电枢电流不变时,随着磁通Ф的减小,其转速升高,转矩也会相应地减小。
所以,在这种调速方法中,随着电动机磁通Ф的减小,其转矩升高,转矩也会相应地降低。
在额定电压和额定电流下,不同转速时,电动机始终可以输出额定功率,因此这种调速方法称为恒功率调速。
为了使电动机的容量能得到充分利用,通常只是在电动机基速以上调速时才
采用这种调速方法。
本次设计不采用。
4.3.3采用PWM控制的调速方法
图2为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。
在图2a中,假定晶体
管V1先导通T1,秒(忽略V1的管压降,这期间电源电压Ud全部加到电枢上),然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。
如此反复,则电枢端电压波形如图1b中所示。
电动机电枢端电压Ua为其平均值。
图2PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
a)原理图b)输出电压波形
(3)
式(3)中
(4)
为一个周期T中,晶体管V1导通时间的比率,称为负载率或占空比。
使用下面三种方法中的任何一种,都可以改变
的值,从而达到调压的目的:
(1)定宽调频法:
T1保持一定,使T2在0~∞范围内变化;
(2)调宽调频法:
T2保持一定,使T1在0~∞范围内变化
(3)定频调宽法:
T1+T2=T保持一定,使T,在0~T范围内变化。
不管哪种方法,
的变化范围均为0≤
≤l,因而电枢电压平均值Ua的调节范围为0~Ud,均为正值,即电动机只能在某一方向调速,称为不可逆调速。
当需要电动机在正、反向两个方向调速运转,即可逆调速时,就要使用图1—3a所示的桥式(或称H型)降压斩波电路。
在图3a中,晶体管V1、V4是同时导通同时关断的,V2、V3也是同时导通同时关断的,但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通,否则电源Ud直通短路。
设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断,间隔一定时间(为避免电源直通短路。
该间隔时间称为死区时问)之后,再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断,如此反复,则电动机电枢端电压波形如图2b所示。
图3桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形
a)原理图b)输出电压波形
电动机电枢端电压的平均值为
(4)
由于0≤
≤1,Ua值的范围是-Ud~+Ud,因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。
图4给出了两种PWM斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线
。
图4两种斩波器的输出电压特性
由于PWM调速方式控制方便,同时能实现更多不同的功能,所以采用基于51单片机的PWM调速方式
5、硬件电路设计
5.1总体电路模块
本次课程设计采用定频调宽法:
T1+T2保持一定,使T1在0~T范围内变化来改变a的值从而达到调压的目的。
以STC8052单片机系统和7805稳压电源系统组成。
由键盘KEY1和KEY2发出指令,单片机处理后经P2.6口发出矩形波,通过占空比的调节达到电机调速的目的。
当按下key1按键时,P2.6口产生的高电平占空比增大,电枢电压增大,电机转速增大;当按下key2按键时,P2.6口产生的高电平占空比减小,电枢电压减小,电机转速减小。
从而通过单片机达到简单调速的目的。
图5为总体电路原理图
图5总体电路原理图
5.2单片机最小系统部分
图6最小单片机系统
本次设计中主要应用了80c52单片机,由最小单片机系统组成,并将单片机的P2.6口作为输出口,输出占空比不同的矩形波,供给后续部分,在单片机的外围扩展了两个按键,Key1作为加速按键,Key2作为减速按键,进行调速控制。
5.3电源部分
图7电源模块
电源部分采用的是三端稳压器7805,输入由AC-DC变压器提供+6V直流电,经7805稳压,由电容滤波,输出+5V电压,为单片机提供工作电源。
5.4RS232串口电路
图8串口电路
串口电路是通过232通讯插座连到MAX232芯片,将电脑和单片机之间的电平进行统一,使两者之间没有通信障碍,进而将电脑中编写的程序烧写进单片机。
5.5显示电路
图9显示电路
显示电路我们用了共阴数码管,通过P0口输出信号到数码管,显示单片机输出的方波信号占空比的等级,由L至F分别表示了不同的占空比大小,由不同的占空比大小进而实现对电机的调速。
6、程序设计
6.1程序设计思想
当按key1键时,电压升高,转速上升,当按key2键时,电压下降,转速下降;定时器1中断用来产生周期为1ms的脉宽信号,定时器每次中断后改变下一次的定时设置,设置值由按键决定,按key1,高脉宽定时时间加大,按key2,低脉宽定时时间增大,每次变化50uS。
6.2程序框图
图10程序框图
6.3程序代码
MEQU35HORG0000HAJMPMAINORG001BHAJMPINTT1ORG0100HMAIN:
MOV60H,#0FEH//存放高电平的脉宽时间,定时500usMOV61H,#0CHMOV62H,#0FEHMOV63H,#0CH//存放低电平的脉宽时间,定时500us,此时电压为输入电压的
一半,电机此时的转速为最低。
调速设定为向上调节,即按加键
时转速上升,此时按减键,转速不变。
MOVM,#5MOVDPTR,#TABLE//建表格存放数码管显示MOVTMOD,#10H//定时器1用来产生脉宽,周期固定为1mS,MOVTH1,60HMOVTL1,61HSETBEASETBET1SETBPT1SETBTR1SETBP2.6READKEY:
JNBP1.2,DELAYJNBP1.3,DELAYAJMPREADKEYDELAY:
LCALLDL10MS//去抖JNBP1.2,HAVEKEY1//电路板接两个键,分别为key1和key2,key1为脉宽增
加,key2为脉宽减小JNBP1.3,HAVEKEY2AJMPREADKEYHAVEKEY1:
MOVA,61H//是加键,60H61H值减小,高电平脉宽增加,62H63H值增大,低
电平时间减小CLRCSUBBA,#32HMOV61H,AMOVA,60HSUBBA,#00HMOV60H,ACLRCMOVA,63HADDA,#32HMOV63H,AMOVA,62HADDCA,#00HMOV62H,AINCMMOVR2,60HMOVR3,61HMOVR6,#0FCHMOVR7,#18HLCALLNSUB1JNCCONTINUMOV60H,#0FCH//超出调速范围,即高脉宽大于1ms溢出了,则保持此数值MOV61H,#18HMOV62H,#0FFHMOV63H,#0FBHDECMCONTINU:
AJMPNOTXSHAVEKEY2:
MOVA,63H//是减键,60H61H值增加,高电平脉宽减小,62H63H值减小,低电
平时间增大CLRCSUBBA,#32HMOV63H,AMOVA,62HSUBBA,#00HMOV62H,ACLRCMOVA,61HADDA,#32HMOV61H,AMOVA,60HADDCA,#00HMOV60H,ADECMMOVR2,62HMOVR3,63HMOVR6,#0FDHMOVR7,#44HLCALLNSUB1JNCNOTXSMOV60H,#0FEH//高电平最少保持300us,低电平最大700usMOV61H,#0D4HMOV62H,#0FDHMOV63H,#44HINCMNOTXS:
LJMPREADKEYRET//双字节减法子程序,功能:
(R2R3)-(R6R7)---->R4R5NSUB1:
MOVA,R3CLRCSUBBA,R7MOVR5,AMOVA,R2SUBBA,R6MOVR4,ARET//定时器1中断,总周期20ms,其中高电平时间由6061h决定,低电平
时间由6263h确定。
定时的时间由键盘设定,按加键60H61H每次设定
减小500uS的时间,使高电平时间增加,按减键62H63H每次设定减少
500uS的时间,高电平时间减小INTT1:
PUSHPSWPUSHACCSETBRS0CLRRS1JNB20H,XGTHTLCLR20HMOVTH1,62HMOVTL1,63HCLRP2.6LCALLSHOWAJMPRETIENDXGTHTL:
SETB20HMOVTH1,60HMOVTL1,61HSETBP2.6LCALLSHOWRETIEND:
POPACCPOPPSWRETIMOVCA,@A+DPTRMOVP0,ARETDL10MS:
MOVR6,#200DEL:
MOVR7,#0FFHDJNZR7,$DJNZR6,DELRETTABLE:
DBSHOW:
MOVA,M3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H
//七段数码管显示字符所对应的代码END
7、设计心得和体会
转眼间为期两周的计算机控制技术课程设计结束了。
这次的设计虽然时间不长,但是就在这短短的两周中,我们学到了很多,也感受颇多。
首先,我们之前虽然学过了《计算机控制技术》、《单片机系统》、《ProtellDXP》等课程,但是,由于对过去的知识缺乏回顾,刚开始还要花较多的时间去复习。
在动员课,老师向我们详细介绍了此次涉及具体的思路以及各部分功能可能实现的硬件模块。
经过老师的详细介绍,对于整个设计有了初步的构思,了解到这次设计需要的几个模块。
比如说需要用到电源模块、显示模块、单片机等。
一切准备就绪后,下面就是利用绘图工具来绘制电路图了。
因为之前学过了proteus,同时它能联合单片机程序来一起仿真,所以它当然是首当其选。
不过,由于很久都没使用过了,有点生疏,很多细节还要重新查阅书本,中间牵涉到很多很多。
比如说器件引脚的快速顺序赋值、器件的旋转、字体的大小颜色,文本、电源等的添加,器件的查找、元件库的添加……对于载入单片机程序,初时还不是很懂,在查阅了网上的教程后才逐步熟悉,到最后的仿真成功确实收获不少。
焊接电路依然有点困难,由于平时动手的机会不多,对于元件的排版上依然不够全面,经常需要靠飞线来完成,这应该就是老师所说的专业问题,正因为排版的不专业才产生如此多的问题,希望以后能有更多的机会去锻炼吧。
最后一步就是对于本次设计报告的写作了。
写到这里,此次设计也算是结束了。
但是从始至终,即从最初的选题到最后的落幕,经历了很多之后也感受颇多。
本次设计主要考察我们通过已经学过的理论知识,查阅相关资料,锻炼我们独立思考的能力。
同时通过设计,也加深了自己对理论知识的理解和掌握,在解决困难的过程中,获得了许多专业方面的知识,拓展了视野。
也把以前的所学重新拿出来复习一下,有助于在以后的学习生涯中少走一些弯路。
虽然自我感觉理论知识还行,但是,一到实践中去却总是碰壁、无从下手。
经过两周的设计过程,我也明白了一些道理。
那就是,第一,不管做什么事情,一定要有耐心,一定要细心,切不可浮躁,切不可麻痹大意。
遇到问题要耐心的去检查,然后细心的去分析去研究,最终将会把问题给解决掉。
第二,要学好理论知识,否则的话,开头将很难,你会无从下手。
在理论基础勉强过关的情况下,方可进行更深一步的设计研究。
另外,要广泛查阅资料,要动用一切可以利用的资源,这样才能把问题研究懂研究透。
还有就是,不会的一定要去请教别人,不可感觉会丢面子而不懂装懂,这样会对整个设计的进程带来很大困难。
总而言之,我个人认为这次设计很有价值,让我获益颇多,希望在大学期间能够多一些类似的课程设计,这样不经可以激发学生学习的积极性,更能增强学生的实践动手能力,那么在以后的工作岗位上,也会少些许坎坷。
8、小组分工
卢洪炬马雨彬(硬件设计和软件设计)
张佳林(电路焊接及调试)
余嘉俊梁家安(资料收集和报告编写)
9、参考文献
计算机控制技术-------机械工业出版社于海生等编著
单片机原理及应用-------清华大学出版社李权利仲伟峰徐军编著
电子技术基础(模拟部分)—————高等教育出版社康华光编著
电力电子技术---------机械工业出版社王兆安编著
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