基于单片机的直流电机PWM调速系统毕业论文 精品推荐Word格式.docx
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STC89C52;
PWM
TheDesignofPWMControlledDCMotorSpeedControlSystemBasedOnSingleChip
ABSTRACT
PulseWidthModulation(PWM)withhighprecisionspeedcontrol,,fastresponse,widespeedrangeandlowlosscharacteristics,hasbecomethemainstreamtechnologytoDCmotorcontrol,andaccesstoawiderangeofapplications.
ThesystemusedSTC89C52microcontrollerasthesystem'
scentralprocessor,usinginfraredoptocouplerstomeasurethemotorspeed,whenMatrixkeyboardDCmotorspeedsettingandstart,stop,directionandcontrolofaccelerationanddeceleration,usingQC12864LCDscreentoachievereal-timespeedofthemotor,setthespeedandrotationalstateofthedisplay.Tested:
thesystemStable,flexible,speedrangeof500-2000rev/minute,PWMwaveadjustmentinstepsof1,thecorrespondingadjustmentofthemotorspeedinstepsof10rev/minute.
Keyword:
DCMotor;
governor;
STC89C52;
PWM
目录
第一章前言1
1.1课题选择的背景1
1.2课题选择的意义1
1.3国内外发展现状2
1.4PWM变频调速发展前景3
1.5课题研究内容及目标3
1.6本章小结3
第二章系统总体方案设计4
2.1设计的任务和要求4
2.2系统分析与选择4
2.2.1控制器模块4
2.2.2显示模块的分析与选择4
2.2.3测速传感器的分析与选择4
2.2.4PWM实现方案论证5
2.2.5键盘的方案分析与选择6
2.2.6输入输出通道的分析7
2.2.7驱动模块的分析与选择7
2.3系统硬件组成及各模块功能7
2.4本章小结9
第三章系统硬件设计10
3.1CPU主控制模块10
3.2电源电路12
3.3H桥驱动电路13
3.4键盘部分14
3.5电机测速电路的设计15
3.6显示模块15
3.7整体电路设计17
3.8本章小结17
第四章系统软件设计18
4.1主程序18
4.2键盘扫描子程序19
4.3PWM信号发生程序21
4.4测速子程序22
4.5显示子程序23
4.6本章小结24
第五章系统调试与分析25
5.1软件调试25
5.2仿真软件调试26
5.3硬件调试29
5.4调试故障及原因分析29
5.5本章小结30
总结31
参考文献32
致谢33
附录34
附录A系统原理图34
附录B系统实物图35
附录C部分程序36
第一章前言
1.1课题选择的背景
直流电机是最常见的一种电机,它已经广泛应用于交通、化工、航空、机械等领域中。
早期的直流电机控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器,非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件复杂,而且系统非常不灵活,功能单一,调试困难,阻碍了直流电机控制技术的发展和应用范围的推广。
PWM控制技术是利用半导体器件的关断和导通,把直流电压变成电压脉冲列,控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压目的,或控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。
近年来,电气传动的PWM控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。
随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用,单片机成为了直流电机调速不可或缺的部分之一。
单片机具有体积小、功能强、重量轻、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点,而被广泛应用于直流电机调速系统。
在实际应用中,电机是把电能转化为机械能的主要设备,因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。
电机调速性能对提高产品质量,提高劳动生产率和节省电能有着决定性的影响。
所以,电机调速一直是研究的热点。
1.2课题选择的意义
直流电机具有良好的启动性能和调速特性,虽然各种类型的电机层出不穷,然而在电子仪器设备、自动控制领域等方面,直流电机的应用仍然占有突出地位。
直流电机调速平滑,过载能力强,调速范围广,抗冲击负载能力强,可实现频繁的无极快速起动、制动、加/减速和正/反转。
为了满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求,从而对直流电机提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求,通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
PWM直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、控制方便、线路简单、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点,在工厂企业得到广泛的应用,有利于国家工业化的发展。
通过学习并熟练掌握这个调速系统,对今后的工作有非常重要的意义。
本课题是以单片机为主要控制核心,针对直流电机的调速系统进行设计,通过本次毕业设计培养了我综合运用所学的知识和技能解决问题的能力,巩固和加深对所学知识的理解;
培养了我探索研究的习惯和工作能力。
1.3国内外发展现状
控制直流电机调速大致有下面几种方法:
第一,最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电机供电,通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
第二,30年代末,出现了发电机—电动机,人们开始配合采用电机扩大机、电磁放大器、闸流管等控制器件来实现调速。
第三,随着1957年世界上第一支晶闸管的诞生,人们开始采用晶闸管整流装置调速。
近些年随着微型计算机、集成电路、新型电子器件及新的传感器的成熟应用,直流电动机控制装置也继续向前发展。
在微机直流电气传动控制系统的应用中,倾向于数字化、智能化的思路,极大地促进了电气传动的发展。
近年来,一些先进国家已推出大规模使用微机控制为核心的直流电气传动设备[1]。
数字直流调速装置,在技术上它可以成功地完成从一个给定的信号,经过调整参数设置,最后实现触发脉冲的数字化。
使用一个通用的硬件平台和一系列的附加软件程序来控制一定功率和电流的直流电动机,一台控制器可以通过参数设定和使用相应软件对很多被控对象进行控制,强大的通讯功能使得其可以很容易与PLC等其他通讯设备构成整个工业控制过程系统,并具有操作简单、抗干扰能力强等特点,特别是方便和灵活的调试方法、完善的保护功能和整个控制器的小型化,使模拟直流调速系统的不完善、调试不方便、笨重等不足之处完全克服,另外数字控制系统还具有迅速排除故障、速度快、精度高、易于维护等优点,所以它具有广阔的应用前景[1]。
目前我国的晶闸管直流调速系统也得到了迅速的发展和广泛的应用,已广泛应用于我国的各个部门。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有:
综合性最优控制,补偿PID控制,PID算法优化。
随着PWM技术的发展,我国直流电机调速也正在向着脉宽调制方向发展。
目前我国大部分数字化控制直流调速装置还是依靠进口。
但由于进口设备价格昂贵,也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间,所以国内许多科研单位、大专院校和厂家也都在开发全数字直流调速装置[1]。
1.4PWM变频调速发展前景
20世纪末,随着微电子控制技术、电力电子功率变换技术的成熟应用,交流电动机变频调速技术以得到了惊人的发展。
展望21世纪,交流电动机变频调速技术将会有更大发展。
(1)在变频控制电路方面:
随着变频装置已经实现了数字化控制,控制技术的微电子数字化将是今后的发展趋势。
变频装置的数字化技术是从20世纪80年代中期开始逐步发展到16位、32位微处理器,目前普遍采用DSP[2]。
(2)PWM及多电平技术:
随机PWM技术为消除机械和电磁噪音提供了一种新的最佳途径,盲目地提高工作频率已经渐渐被随机PWM技术取代。
由于PWM逆变器的开关损耗随着功率和频率的增加而迅速增加,这就限制了PWM逆变器的高频化和大功率,因此,在这些方面人类还有大量的工作。
目前提高开关频率的一个方法是采用谐波技术及在此基础上发展起来的软开关技术。
在大功率装置方面,除尽量采用优化PWM模式外,多电平逆变器也越来越受到人们的重视,这样开关损耗问题将转化为多管串联后的均压问题[2]。
1.5课题研究内容及目标
根据基于单片机的直流电机PWM调速系统要求确定整体的设计方案,完成单片机控制的PWM直流电机调速系统的设计。
该系统需要能实现用软件产生PWM信号,并且实线对电机启动和停止、加速和减速、正传和反转的控制,同时还可以实现电机转速的设定;
最后在显示器上显示直流电机的实时转速、设定转速和转动状态。
经分析及设计,该系统将主要由输入模块、中央处理模块、显示器、电机驱动模块和测速元件部分组成。
1.6本章小结
本章节主要分析了直流电机PWM调速系统研究的背景和研究的目的及意义;
并且介绍了直流电机控制系统的国内外研究现状及发展情况;
PWM变频调速的发展前景;
以及本课题的主要研究内容及预期目标做了简要说明。
第二章系统总体方案设计
2.1设计的任务和要求
设计一个基于单片机的直流电机调整系统,要求用PWM方式控制电机的转速,用独立式按键控制电机的起运,停止,正转,反转,在键盘和上位机设定电机的转速和方向。
完成直流电机和单片机接口电路的设计和系统软件的设计。
本设计的控制对象为直流电机,控制器为键盘,控制量为电机转速,显示量为电机实时转速、转动方向和设定转速。
2.2系统分析与选择
根据题目要求系统模块可以划分为:
中央处理器模块、显示电路模块、控制模块、电机测速模块及电机驱动模块。
为很好的实现各模块功能,分别对每个模块的设计方案进行了分析及选择。
2.2.1控制器模块
根据题目要求,控制器主要功能有:
产生初始的PWM波;
接收来自控制模块和测速模块的信号并加以分析处理;
将信号的处理结果输出至显示模块和驱动模块,前者以显示电机设定转速、实时转速及电机转动方向,后者以控制电机的运转状态。
对控制器的选择我们做出以下选择:
采用STC89C52作为本系统的中央处理装置。
单片机不仅具有很好算术运算能力,而且编程时灵活、自由度大。
同时又具有功耗低、体积小、技术成熟和价格低廉等优点。
因此,在本设计中采用STC89C52作为系统的中央控制器。
2.2.2显示模块的分析与选择
本设计中要求实现电机的正反转及转速的设定,正反转的状态及电机转速的设定值都需要用显示器进行显示,所以采用液晶显示屏幕作为系统的显示器,同时液晶显示屏(LCD)具有功耗小、轻薄短小无辐射危险,平面直角显示以及影象稳定不闪烁,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强,并可灵活的实现多种状态。
2.2.3测速传感器的分析与选择
对电机转速的测量,依据当今技术及本设计的现状,大致有以下三种可以执行的测量方式。
方案一:
使用测速发电机测速,电机的输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数。
当改变旋转方向时,输出电动势的极性也相应改变。
方案二:
采用霍尔传感器测速,霍尔元件是磁敏元件,在被测的旋转体上装一个磁体,当电机旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,送至单片机进行运算。
方案三:
采用红外光电耦合器测速,发射管发射信号,接收管接受到信号时输出脉冲。
电机转动时,每转半圈OUT端输出一个上脉冲,然后用单片机在单位时间里面来采集上升源的个数,这样就完成速度的采集。
经比较,方案一中测速发电机的安装不如方案二中霍尔元件安装方便,准确率也没方案二的高,并且方案二不需要A/D转换,测量值直接可以被单片机接收。
但方案二中霍尔传感器的采购不是很方便,价格比较也比较昂贵,方案三中硬件电路简单,器件采购方便,更重要的是它具有方案二的几乎所有的优点,故选择方案三。
方案三中具体的记数方法是通过单片机记数时间S(秒)内的脉冲数N,从而计算得到每分钟的转速:
M=N/S×
60。
同时还可以采用定时的方法:
通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速:
M=60/T。
比较两个计数方法,方法一的误差主要是±
1误差(量化误差),假设电机的最低设计转速为120转/分,则记数时间S=1s,所以其误差的绝对值|γ|=|(N±
1)/S×
60-N/S×
60=60(转/分),误差计算公式表明,增大记数时间可以提高测量精度,但这样做却增大了速度采样周期,会降低系统控制灵敏度。
而方法二所产生的误差主要是标准误差,并且使采样时间降到最短,误差γ=[60/(T±
1)-60/T],设电机速度在120—6000转/分之间,那么0.01s≤T≤0.5s,代入公式得:
0.00024≤|γ|≤0.6(转/分)。
由此明显看出,方法二在测量精度及提高系统控制灵敏度等方面优于方法一,所以在这里我采用方法二进行计数。
2.2.4PWM实现方案论证
(1)PWM调速工作方式
双极性工作制。
在一个脉冲周期内,来自单片机两个端口的两个控制信号电平高低相反,这样两个控制信号的高电平时差控制着电动机的转向和转速。
单极性工作制。
PWM波的占空比取决于单片机的一个端口,另一个端口为低电平,两个输出口的切换控制着电机的正反转,PWM占空比控制着电机的转速。
由于单极性工作制相较于双极性工作制具有电流最大波动小和电压波中的交流成分小的优点,所以我们本系统采用单极性工作制[3]。
(2)PWM调脉宽方式
调脉宽的方式有三种:
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式,因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定,不会与单片机中的其他频率产生冲突,并且在单片机产生PWM脉冲的软件实现上也比较方便[3]。
(3)PWM软件实现方式
采用软件延时的方式,此方式的缺点是在引入中断之后,将会有一定的误差。
采用定时器作为脉宽控制的定时方式,此方式产生的脉冲宽度极其精确,最大误差只能达到几个微秒,综合考虑我们采用方案二[4]。
2.2.5键盘的方案分析与选择
键盘是单片机不可缺少的输入设备和实现人机对话的纽带。
常用的键盘有独立式键盘和行列式键盘等。
独立式键盘
独立式键盘与单片机进行接口时,键盘接口使用的I/O线和键盘的数量相等,其特点为其按键的数量比较少,且键盘
中各按键工作时不会相互干扰。
因此可以依据设计需要实现对按键的灵活编码。
这种形式的键盘结构简单,且按键识别比较容易。
独立键盘的缺点是需要占用比较多的I/O口线,当单片机应用系统键盘中需要的按键比较少或I/O口线比较富余时,可以采用这种类型的键盘。
行列式键盘
行列式键盘是用N条I/O线作为行线,M条I/O线作为列线组成的键盘,按键在行线和列线的每个交叉点上,按键中按键的个数是M*N个。
这种形式的键盘结构,能够有效的提高单片机系统中I/O的利用率,行列式键盘适用于按键输入多的情况[5]。
本设计不仅要求对电机的转速进行设定,而且要求实现电机的启动、停止、加速、转速、正转和反转控制,势必需要至少十个以上的按键,又根据以上的论述,故采用方案二,以提高单片机系统中I/O的利用率,从而节省了单片机系统中的I/O端口。
2.2.6输入输出通道的分析
由于选用了红外光电耦合器进行测速,微处理器采集的信号是脉冲信号,故无需经过A/D转换就可以输入到单片机中。
由于采用PWM控制直流电机的电枢电压,单片机的输出信号通过驱动进行放大后就是电机的电枢电压,从而通过控制PWM波的占空比来控制电机的转速。
2.2.7驱动模块的分析与选择
本设计的核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的PWM调速控制。
要实现这些功能,基本上采用的是由四个开关管构成的H型桥式驱动电路。
对于小功率直流电机驱动有H桥式驱动和L298驱动两种方法,L298驱动芯片虽然简单,驱动能力也较强,但由于其价格昂贵,且本设计中电机属于小功率直流电机,H桥式驱动电路就足以驱动,并且价格便宜,故而本设计采用H桥式驱动作为小功率直流电机的驱动模块[6]。
2.3系统硬件组成及各模块功能
本调速系统主要是由:
单片机、驱动电路、直流电机、测速元件、接口电路、显示器和输入控制模块等部分组成。
硬件电路组成框图如图2.1所示:
图2.1直流电机调速系统硬件
本调速系统各模块的功能分析如下:
中央控制模块:
这部分电路的核心部件是STC89C52单片机,它的功能总得来说分为三个方面,一、通过内部程序设定出初始PWM信号,输送给H桥式驱动从而控制电机运行;
二、接受来自键盘和红外光电接收管的信号再加以分析和处理;
三、对处理的结果进行输出,如控制七段数码管的显示和点亮发光二极管。
输入控制模块:
这一部分主要是利用带中断的矩阵键盘来实现对直流电机的控制。
由矩阵键盘十六个按键中的十个键实现对转速的分级设定(0键按下设定转速为0,1键按下设定转速为5,2键按下设定转速为25,3键按下设定转速为40,4键按下设定转速为60,5键按下设定转速为80,6键按下设定转速为100,7键按下设定转速为120,8键按下设定转速为135,9键按下设定转速为150。
其中转速单位为r/min),另外六个按键分别实现电机的开始、停止、加速、减速、正转和反转的六种控制。
驱动模块:
采用H桥式驱动来驱动电机及实现电机的正反转。
驱动接受来自P2.0和P2.1口的PWM波,然后用来驱动直流电机。
本设计中驱动的是小功率直流电机,所以对驱动的驱动能力要求不是太高,一般的H桥式驱动既能满足要求。
测速模块:
显示模块:
本设计采用液晶显示屏(LCD)作为本设计的显示模块。
液晶显示屏上显示的内容包括:
电机的(正转或反转)、电机的设定转速及电机的实时转速。
2.4本章小结
本章主要介绍了直流电机调速系统的方案分析与选择,应用了适合于该系统的电机调速控制方案和总体设计方案;
在器件的选择方面也做了比较具体的说明;
最后又详细介绍了各个模块实现的具体功能。
在本章最后完成了基于单片机PWM直流电机调速系统的硬件组成框图设计。
第三章系统硬件设计
本章将基于上一章为基础对硬件系统各部分作进一步的分析,并且对硬件各部分电路加以分析和呈现。
下面将分别对CPU主控制模块、电源、PWM波形产生部分、电机驱动部分、键盘输入部分、测速部分及显示部分进行设计。
3.1CPU主控制模块
本系统选用STC89C52单片机作为主控制器。
主要功能包括三个方面:
接受外界信号、处理接受信号和输出控制信号。
外界信号主要指来自独立式键盘和红外光电耦合器接收管的信号;
处理接受信号就是对接受的信号进行作用分析,并作出相应处理;
输出信号包括输出PWM波控制电机转动和使数码管显示电机实时转速。
STC89C52单片机内部资源很丰富,不需要扩展芯片。
在用STC89C52单片机设计系统时,首先要构成一个最小系统,单片机才能正常工作,即将单片机接上时钟(晶振)电路和复位电路。
下面介绍单片机的设计部分分析:
(1)单片机STC89C52
STC89C52单片机是MSC-51系列产品的升级版,有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后,利用自身优势技术——闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展,同时使用新的半导体生产工艺,最终得到成型产品。
与此同时,世界上其他的著名公司也通过基本的51内核,结合公司自身技术进行改进生产,推广一批如51F020等高性能单片机[7]。
STC89C52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间,支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求,时钟频率可以设置在0-33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。
同时,该单片机支持计算机并口下载,简单的数字芯片就可以制成下载线,仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。
根据不同场合的要求,这款单片机提供了多种封装,本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况,使用双列直插DIP-40的封装。
如图3.1所示:
图3.1DIP-40封装STC89C52引脚图
(2)复位电路及时钟电路
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
复位电路通常分为两种:
上电复位和手动复位。
如图3.2所示:
上电复位手动复位
图3.2复位电路图
有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况,在程序开发过程中,经常需要手动复位。
所以本系统中选用手动复位的方式。
程序的运行速度取决于时钟的频率,而且高频率时钟的应用还可以实现更高的信号的采样率。
然而采用高时钟的代价是功耗大,同时对系统级运行环境都比较高。
本系统中单片机本身用于控制,不需要太高频率的时钟,所以选择适当频率的时钟,同时适当频率的晶振有利于选频信号强度的准确度。
本系统选取11.095MHZ无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚,并联2个20pF陶瓷电容帮助起振。
最小系统如图3.3所示:
图3.3STC89C52最小系统
3.2电源电路
由于整个系统都是用单片机、小型电机和各类芯片以及电阻、电容组成的,其工作电压为+5V,不需要负电压,所以可采用三端固定集成稳压器LM2940稳压芯片。
LM2940为输出电压固定的低压差三端稳压器;
其输入电压为7.2V,输出电压5V,输出电流为1A;
输出电流为1A时,最小输入输出电压差小于0.
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