2022年直流电机的小车运动控制设计方案.docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 基于直流电机的小车运动掌握设计目录摘要 3 前言 4 第 1 章 系统概述 5第 2 章 直流电机工作原理677第 2.1 节 直流电机的结构6第 2.2 节 直流电机的分类6第 2.3 节 直流电动机的工作原理第 2.4 节 直流电机的可逆运行原理第 3 章 脉冲宽度调制 PWM掌握技术 9 第 3.1 节 脉冲宽度调制基本原理 9 第 3.2 节 脉冲宽度调制详细过程 10 第 3.3 节 脉冲宽度调制的优点 10 第 3.4 节 脉冲宽度调制掌握方法 11 第 3.5 节 脉冲宽度调制相关应用领域 11 第 4 章 硬件设计 12 第 4
2、.1 节 供电电源模块 12 第 4.2 节 掌握器模块 12 第 4.3 节 电机驱动模块 151 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 第 4.4 节 测速模块 17 第 4.5 节 显示模块 17 第 5 章 软件设计 19 第 5.1 节 主程序设计 19 第 5.2 节 直流电机驱动算法 19 第 5.3 节 测速算法 21 第 5.4 节 数码管显示算法 21 总结 23 参考文献 24 致谢 25 附录 26摘要本文主要介绍了基于直流电机的小车运动掌握设计;该车以玩具小车为车体,直流电机及其掌握
3、电路为整个系统的驱动部分,AT89S51单片机为整个系统的掌握核心,采用 ST188反射式光电传感器来检测小车的运行速度,并通过一个 4 位一体的数码管显示出来,使用驱动芯片 74HC245来驱动数码管的显示;整个系统使用 5V 的直流电源供电,直流电机驱动采纳 PWM 掌握技术,可以敏捷便利地对车速进行掌握;关键词:直流电机,单片机,小车Abstract : In this paper, the car based DC motor motion control design , the toy car as the car body , DC motor and control circu
4、it for the driving part of the whole system , AT89S51 microcontroller core for the control of the entire system , using ST188 reflective photoelectric sensor to detect the cars speed , and through a 2 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4-in-one digital display up , use the
5、 driver IC 74HC245 to control the digital tube display . the system uses the 5V DC voltage power supply,DC motor-driven use PWM control technology, the flexibility to easily control the speed . Key words: DC motor , MCU , car 前言随着电子技术、运算机技术和制造技术的飞速进展,数码相机、DVD 、洗衣机、汽 车等消费类产品越来越出现光机电一体化、智能化、小型化等趋势;各种智
6、能化小车在 市场玩具中也占一个很大的比例;依据美国玩具协会的调查统计,近年来全球玩具销量 增幅与全球平均 GDP 增幅大致相当;而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大改 变:传统玩具的市场比重正在逐步缩水,高科技含量的电子玩具就蒸蒸日上,已经成为 玩家行业进展的主流;因此,遥控加智能的技术讨论、应用都是特别有意义而且有很高 市场价值的;智能作为现代的新创造,是以后的进展方向,他可以依据预先设定的模式在一个环 境里自动的运作,不需要人为的治理,可应用于科学勘探等等的用途;智能电动车就是 其中的一个表达;智能电动车是由一个电动玩具车改造而成,更换了电动玩具车的电机和驱动电路,增加了电控系统;电控
7、系统的主要任务是使智能电动车按既定掌握方法行驶;智能车辆是一个运用运算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动掌握等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体;它在军事、民用和 科学讨论等方面已获得了应用,随着人工智能技术、运算机技术、自动掌握技术的快速 进展,智能掌握必将迎来它的进展新时代;运算机掌握与电子技术融合为电子设备智能化开创了宽阔前景;第1章 系统概述3 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 整个系统基于玩具小车的机械结构,小车掌握系统总体结构如图 11 所示;以AT89S51
8、 单片机为掌握核心,主要由电源模块、掌握器模块、直流电机驱动模块、测速模块和显示模块组成;第一,由电源模块产生5V 的直流电压,供单片机、电机驱动芯片、数码管驱动芯片和测速模块使用,单片机输出相应的掌握信号给驱动芯片驱动电机转动,从而掌握整个小车的运动,直流电机的驱动电路采纳PWM 电路,精确调整电动机转速;测速模块通过光电编码盘来检测小车的速度,将检测得到的脉冲信号送入单片机 的 T0 口进行计数 , 同时完成脉冲数运算,通过定时计数器来计时间,算出实时速度,并通过一个四位一体数码管显示出来,从而验证PWM掌握技术对小车速度的掌握;使用驱动芯片 74HC245来掌握数码管的显示;单片机外部资
9、源安排:P0.0P0.2 掌握电机的使 能和方向, P1.0P1.7 和 P3.0、P3.1、P3.3、P3.5 用于数码管的掌握位, P3.2、P3.4 用于测速模块的输入;电路原理图见附录1;电机驱动模块运行电机电源模块掌握器测速模块模块显示模块图 1. 1 小车掌握系统总体结构图第2章 直流电机工作原理输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能 相互转换的电机;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;直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛,直流电机的调速掌握是电机应用的 一个重要技术保证;直流电
10、机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载才能强等许 多优点,因此在很多行业中仍有应用;第2.1 节 直流电机的结构直流电机的结构由定子和转子两大部分组成;直流电机运行时静止不动的部分称为4 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成;运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直 流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换 向器和风扇等组成;第2.2 节 直流电机的分类按结果
11、主要分为直流电动机和直流发电机;按类型主要分为直流有刷电机和直流无 刷电机;直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问 题;依据励磁方式的不同,直流电机可分为以下几种类型;1、 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系,而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称 为他励直流电机,永磁直流电机也可看作他励直流电机;2、 并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联,作为并励发电机来说,是电机本身发 出来的端电压为励磁绕组供电;作为并励电动机来说,励磁绕组与电枢共用同一电源,从性能上讲与他励直流电动机相同;3、 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组
12、串联后,再接于直流电源,这种直流电机的励 磁电流就是电枢电流;4、 复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组,如串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励;如两个磁通势方向相反,就称为差复励;不同励磁方式的直流电机有着不同的特性;一般情形直流电动机的主要励磁方式是 并励式、串励式和复励式,直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式;第2.3 节 直流电动机的工作原理5 / 29 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 29 页精选学习资料 - - - - - - - - - 导体受力的方向用左手定就确定;这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,
13、这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,妄想使电枢逆时针方向转动;假如此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩 矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来;例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转图 2. 1 直流电动机的原理模型图 2. 2 直流电动机原理模型如图 2. 1 和 2. 2所示,当电枢转了180后,导体 cd 转到 N 极下,导体 ab转到 S 极下时,由于直流电源供应的电流方向不变,仍从电刷 A 流入,经导体 cd 、ab 后,从电刷B 流出;这时导体 cd 受力方向变为从右向左,导体 转矩的方向仍为逆时针方向;ab 受力方向是从左向右,产生的电磁因此,电枢一经转动,由于换向器
14、协作电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由导体 ab和 cd 流入,使线圈边只要处于N 极下,其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向,而在 S 极下时,总是从电刷 B 流出的方向;这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向,从而形成一种方向不变的转矩,使电动机能连续地旋转;这就是直流电动机的工作原理;第2.4 节 直流电机的可逆运行原理一台直流电机原就上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理;当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时,电枢绕组上感生出电动势,经电刷、换向器装置整流为直流后,引向外部负载 掌握技术脉冲宽度调制 PWM ,是英文 “
15、 Pulse Width Modulation 的缩写,简称脉宽调制,是 利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行掌握的一种特别有效的技术,广泛应用在从 测量、通信到功率掌握与变换的很多领域中;脉冲宽度调制是一种模拟掌握方式,其依据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基 极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的转变,这种方式能使电 源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进 行掌握的一种特别有效的技术;PWM 掌握技术以其掌握简洁,敏捷和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的掌握方式,也是人们讨论的热点.由于当今科学技术的进展已经没有了学科之
16、间的界限,结合现代掌握理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 掌握技术进展的主要方向之一;第3.1 节 脉冲宽度调制基本原理随着电子技术的进展,显现了多种PWM 技术,其中包括:相电压掌握PWM、脉宽PWM 法、随机 PWM 、SPWM 法、线电压掌握PWM 等,而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽 PWM 法,它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波形,通过转变脉冲列的周期可以调频,转变脉冲的宽度或占空比可以调压,采纳适当掌握方法即可使电压与频率和谐变化;可以通过调整 的;PWM 的周期、 PWM 的占空比而达到掌握充电电流的目模拟信号的值可以连续变化,其时间和幅度的辨论率都没
17、有限制;9V 电池就是一种模拟器件,由于它的输出电压并不精确地等于9V,而是随时间发生变化,并可取任何实数值;与此类似,从电池吸取的电流也不限定在一组可能的取值范畴之内;模拟信号与 数字信号的区分在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内,例如在 0V, 5V 这一集合中取值;模拟电压和电流可直接用来进行掌握,如对汽车收音机的音量进行掌握;在简洁的 模拟收音机中,音量旋钮被连接到一个可变电阻;拧动旋钮时,电阻值变大或变小;流 经这个电阻的电流也随之增加或削减,从而转变了驱动扬声器的电流值,使音量相应变 大或变小;与收音机一样,模拟电路的输出与输入成线性比例;7 / 29 名师归纳总结
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