2022年计算机控制技术PWM电机速度控制系统设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 运算机掌握技术课程设计姓 名：学 号：系 别：专 业：班 级：指导老师：二 一一 年十二 月 十六 日目 录1 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 课程设计目的 1 2. 课程设计题目和要求 1 2.1 课程设计的要求和内容 2 依据给定任务,对所拟定的设计方案进行简要3.1.1 系统总方案论证与挑选 2 3.1.2 设计模块方案比较与分析 3 3.2 设计方案的图表 4 一） PWM波软件软件设计 4二）测速软件设计5 7 三）直流电机的调速功能仿真

2、6 1调速前的波形图7 2调速后的波形图7 四）电机速度的测量并显示功能仿真五）系统的电路原理图8 . 查阅资料：搜集与本设计有关部门的资料 现场中搜集 的才能； 包括从已发表的文献中和从生产2. 方案的挑选：树立既考虑技术上的先进性与可行性 , 又考虑经济上的合理性 , 并留意提高分析和解决实际问题的才能；3. 快速精确的进行工程运算的才能 , 运算机应用才能；4. 用简洁的文字 , 清楚的图表来表达自己设计思想的才能；2.课程设计题目和要求2.1 课程设计的要求和内容 3.1.1 系统总方案论证与挑选 依据给定任务,对所拟定的方案一：直接加直流电源来掌握电机的转动速度；依据电动机在其额定电

3、 压时,电动机有肯定的额定转速；依据其输入电压的减小,其转动速度也相应 的减小；从而在传统的转变电动机的转速问题中,就是利用所给电动机的电压 的不同,而达到人们所需要的大约速度；方案二：以单片机AT89C51 为中心通过D/A 转换器 ,将单片机数字量转换为模拟量,从而起到掌握电动机的转速问题；其中在单片机掌握部分通过按键 直接从程序中调出所需要速度的值,同时输到数码显示部分和 D/A 转换部分以 实现电动机的调速；数 码 显AT89C51D/A0832电动机单片机转换示键盘图 1 电路组成框图 方案三：采纳 AT89C51 单片机进行掌握；本设计需要使用的软件资源比较 简洁,只需要完成编码器

4、采样部分、键盘掌握部分以及显示输出功能；采纳 AT89C51 进行掌握比较简洁、易掌握、牢靠性高、抗干扰才能强、精度高且体积大大减小；输出速度的调剂是通过键操作,显示速度；字节闪耀可编程可擦除只读储备器的低电压,高性能2 / 24 AT89C51是一种带 4K CMOS8 位微处理器 .具有名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4K 字 节可 编 程闪 烁存 储 器 , 可擦 除的 的只 读 储备 器 PEROM, ATMEL 的AT89C51 是一种高效微掌握器 . AT89C51 单片机为很多嵌入式掌握系统供应了一

5、种敏捷性高且价廉的方案. 三级程序储备器锁定、 128*8 位内部 RAM 、32 可编程 I/O 线、两个 16 位定时器 /计数器、 5 个中断源、可编程串行通道、低功耗 的闲置和电模式、片内振荡器和时钟电路：电路框图如图 2 接口电路键盘单片机PWM 掌握驱动电路电动机显示器光电编码器图 2 电路组成框图 方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减 小,此方案操作性差且担心全；方案二不能准时的从电动机那里得到相应的转 动速度,而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示；所以,此处的电路 在速度的显示上失去了其真实性；方案三在可操作性与实时性方面都都结合了 本专业特点

6、,从掌握理论与掌握技术动身,充分发挥与应用本学科特点；所 以,设计采纳方案三 ；3.1.2 设计模块方案比较与分析 电机调速掌握模块：方案一：采纳电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目 的；但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵；更 主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大；分压不仅会降低效率,而且实现很困难；方案二：采纳继电器对电动机的开或关进行掌握,通过开关的切换对电机 的速度进行调整；这个方案的优点是电路较为简洁,缺点是继电器的响应时间 慢、机械结构易损坏、寿命较短、牢靠性不高；方案三：采纳由达林顿管组成的H 型 PWM 电路；用单片机掌握达林

7、顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速；这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率特别高；H 型电路保证了可以简洁地实现转速和方向的掌握；电子开关的速度很快,稳固性也极佳,是一种广泛采纳的 3 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - PWM 调速技术；兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范畴广、过载才能大,因此本设计采纳方案三；3.2 设计方案的图表一） PWM 波软件软件设计程序流程图：开头初始化按键查询OPEN 是否按下Add_speed是否按Sub_speed是否按Swap或 clos

8、e是否按下时是是是转变转向或关定时器 T0 开头计增大矩形波占减小矩形波占闭电机产生矩形波软件电机掌握的方框图4 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二）测速软件设计开头初始化OPEN 是否按下定时器 T1 开头计对单位时间内的脉冲计依据公式运算出电机的速度液晶显示电机速度软件测速的方框图一）电路原理图 LCD显示电路5 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二）霍尔传感器的电路原理图霍尔传感器的测速电路三）直流电机的调速

9、功能仿真当按下 open 键时,电机开头工作；如需要加快电机的转速,就按下add_speed 键,直到电机转速适中；相反,需要减慢电机的转速时,就按下sub_speed 键,待转速中意后,放开按键；当然,在某种特定的环境下,仍需转变电机的转速,此时,你可以按一下swap 键,以达到转变电机转向的目的；当电机不工作时,就按下 close 键；直流电机调速系统的 Proteus 仿真图6 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1调速前的波形图电机启动时的脉冲波形占空比2调速后的波形图电机减速后的脉冲波形占空比 四

10、）电机速度的测量并显示功能仿真 对电机转速的显示,为使用者供应了更为直观的界面；用户可以依据液晶 显示屏上的数字,调整电机的转速,为调速供应了便利；从显示数字的稳固程 度,也可以判定电机转速的稳固性；如显示数字几乎不变,就说明电机工作十 分稳固；与之相反,显示数字不停地变化,就说明电机工作特别不稳固；直流电机系统的 Proteus 仿真7 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五）系统的电路原理图直流电机调速系统的Protel原理图由电源模块、单片机掌握单元、电机驱动电路、电路构成；六）系统的 PCB图8 /

11、 24 LCD显示电路、霍尔传感器名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.3 论述方案的各部分工作原理3.3.1 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,其基本结构依旧是通用 CPU加上外围芯片的结构模式,但在功能单元的掌握上采纳了特殊功能寄存器的集中掌握方法；其基本组成如下图所示：图 2-2 8051基本结构图2CPU及部分部件的作用功能介绍如下中心处理器 CPU：它是单片机的核心,完成运算和掌握功能；内部数据储备器： 8051 芯片中共有 256 个

12、RAM单元,能作为储备器使用的只是前 128 个单元,其地址为 128 个单元,简称内部 RAM；00H7FH；通常说的内部数据储备器就是指这前内部程序储备器： 8051 芯片内部共有 4K 个单元,用于储备程序、原始数 据或表格,简称内部 ROM；定时器： 8051 片内有 2 个 16 位的定时器,用来实现定时或者计数功能,并且以其定时或计数结果对运算机进行掌握；中断掌握系统：该芯片共有5 个中断源,即外部中断2 个,定时 / 计数中断2 个和串行中断 1 个；3. 8051 单片机引脚图9 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 24 页精选学习资料 - -

13、- - - - - - - 图 2-3 8051单片机引脚图3.3.2PWM的基本原理PWM 脉冲宽度调制）是通过掌握固定电压的直流电源开关频率,转变负载两端的电压,从而达到掌握要求的一种电压调整方法；面,比如：电机调速、温度掌握、压力掌握等等；PWM可以应用在很多方在 PWM驱动掌握的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且依据需要转变一个周期内“ 接通” 和“ 断开” 时间的长短；通过转变直流电机电枢上电压的“ 占空比” 来达到转变平均电压大小的目的,从而来掌握电动机的转速；也正由于如此,PWM又被称为“ 开关驱动装置” ；如图2-8 所示：图 2-8 PWM 方波设电机始终接通

14、电源时,电机转速最大为 Vmax,设占空比为 D= t1 / T,就电机的平均速度为 Va = Vmax * D ,其中 Va 指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机10 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比；由上面的公式可见,当我们转变占空比 D = t1 / T 时,就可以得到不同的电机平均速度 Vd,从而达到调速的目的；严格来说,平均速度 Vd 与占空比 D并非严格的线性关系,但是在一般的应用中,我们可以将其近似地看成是线性关系；3.3.3 PW

15、M 发生电路主要芯片的工作原理1数据比较器具有数据比较功能的芯片有74LS6828,74LS6838等 8 位数值比较器, 4 位数值比较器 4585 等；本 PWM发生电路通过两片 4 位数值比较器 4585 就可实现PWM信号的产生,因此选用 4585 作为信号发生电路；芯片 4585 的引脚图：2串行计数器 图 2-10 4585 引脚图系统 PWM信号发生电路中仍使用到一片串行计数器,有串行计数功能的芯片有 4024、4040 等,它们具有相同的电路结构和规律功能,但 4024 是 7 位二进制串行计数器,而芯片4040 是一个 12 位的二进制串行计数器,全部计数器位为主从触发器,计

16、数器在时钟下降沿进行计数；当 CR为高电平常,它对计数器进行清零,由于在时钟输入端使用施密特触发器,故对脉冲上升和下降时间没有限制,全部的输入和输出均经过缓冲；本系统使用 芯片 4040 的引脚图如图 2-11 所示：11 / 24 4040 作为串行计数器,名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.3.4H 桥驱动电路 图 2-11 4040引脚图图 2-1 所示的 H 桥式电机驱动电路包括 于“ H 桥驱动电路” 是由于它的外形酷似字母4 个三极管和一个电机,电路得名 H；如图 1.1-1 所示,要使电机运转,必

17、需导通对角线上的一对三极管；依据不同三极管对的导通情形,电流可 能会从左至右或从右至左流过电机,从而掌握电机的转向；图 4H桥驱动电路 要使电机运转,必需使对角线上的一对三极管导通；例如,如图 2-2 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 转动电机四周的箭头指示为顺时针方向）；图 5H桥驱动电机顺时针转动图 2-3 所示为另一对三极管Q2 和 Q3 导通的情形,电流将从右至左流过电机；当三极

18、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 电机四周的箭头表示为逆时针方向）；图 6H桥驱动电机逆时针转动3.3.5 霍尔传感器的工作原理l ,宽度为b,厚度为d, 当它被置霍尔效应：在一块半导体薄片上,其长度为12 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 于磁感应强度为B 的磁场中,假如在它相对的两边通以掌握电流I ,且磁场方向与电流方向正交,就在半导体另外两边将产生一个大小与掌握电流I和磁感应强度 B 乘积成正比的电势UH,即 UH=KHIB,其中 kH为霍尔元件的灵敏

19、度；该电势称为霍尔电势,半导体薄片就是霍尔元件；工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号；信号输出端每输出一个周期的方波,代表转过了一个齿；单位时间内输出的脉冲数N,因此可求出单位时间内的速度VNT；3.3.6PI 转速调剂器原理图及参数运算图 3-1 PI 转速调剂3.4 相关的运算3.4.1 PI 转速调剂器参数运算依据典型II型系统的参数挑选方法,转速调剂器参数和电阻电容值关系如下 : Kn = Rn/ R0 n = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Co

20、n 参数求法： 电动机 P=10KW U=220V I=55A n=1000 转/分 电枢电阻 R=0.5 欧姆 取滤波电路中 Ro=40 千欧 Rn=470千欧 Cn=0.2uF Con=1uF 就：Umax=220V Umin=220/0.9）*0.5=122V Yi-1=0 W=1000 转/分 P=Kp=Rn/Ro=11.7 I=Kp*T/Ti=125 13 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.4.2 相关程序#include #define uchar unsigned char #defi

21、ne uint unsigned int sbit open = P20；sbit close = P21；sbit swap = P22；sbit sub_speed = P23；sbit add_speed = P24；sbit PWM1 = P30 ；sbit PWM2 = P31 ；/* 液晶显示 */ sbit E=P37 ；sbit RW = P36 ；sbit RS = P35；sbit test = P34；int time = 0；int high = 20；int period = 30；int change = 0；int flag = 0；int num_medium

22、= 0 ；int num_display = 0；int count_speed = 0；uchar wword=0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39；/* 延时 t 毫秒 */ 14 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - void delayuchar t uint i；whilet /* 对于 11.0592MHz时钟,延时 1ms*/ fori=0；i；t- ； / 写命令函数 LCD void wc51ruchar j RS=0 ； RW

23、=0； P1=j； E=1 ； E=0 ； delay3； / 写数据函数 LCD void wc51ddruchar j RS=1； RW=0； P1=j； E=1 ；15 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - E=0 ； delay2； / 初始化函数 LCD void init wc51r0x01 ； / 清屏 wc51r0x38 ； / 使用 8 位数据,显示两行,使用 5*7 的字型wc51r0x0c ； / 显示器件,光标开,字符不闪耀 wc51r0x06 ； / 字符不动,光标自动右移一格/*

24、8T0中断服务程序 *PWM波的生成 */ void time0_intvoid interrupt 1 time+ ； /time 为中断次数 TH0 = 0xec ； TL0 = 0x78 ； ifchange = 0 PWM2 = 1；PWM1=0 iftime = high /high 次中断后电平由高电平变成高电平else iftime = period /period 相当于周期,保持不变的 PWM1 = 1；time = 0 ；16 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - else PWM1 =

25、 1； iftime = high PWM2=0； else iftime = period PWM2 = 1； time = 0； /*T1中断服务程序 *单位时间 interrupt 3 count_speed+；ifcount_speed = 20 count_speed = 0；num_display = num_medium；num_medium = 0； /* void datamade 速度显示的数据处理 */ uint data MM,NN ；17 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - wc

26、51r0xc2 ； wc51ddrS； wc51ddrp； wc51ddre； wc51ddre wc51ddrd； wc51ddr0x3a；NN = num_display%100；MM = num_display/100 ；wc51ddrwwordMM；MM = NN/10；NN = NN%10；wc51ddrwwordMM；wc51ddrwwordNN； /*通过按键实现对电机开关、调速、转向的掌握*/ void motor_control ifopen = 1 EA = 1 ；ifclose = 1 EA = 0 ；ifswap = 1 change = change ；whilesw

27、ap .= 0 18 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - ifsub_speed = 1 high+ ； / 转变 high 来转变占空比 ifhigh = 30 EA=0； whilesub_speed .= 0 ifadd_speed = 1 high- ；ifhigh = 5 high = 5 ； whileadd_speed .= 0 /* void main 主函数 */ P2 = 0x00； ET0 = 1 ； /to 中断答应位 ET1 = 1 ； TMOD = 0x11；19 / 24 名

28、师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - TH0 = 0xec ； / TL0 = 0x78 ； TH1 = 0x3c ； / TL1 = 0xb0 ； TR0 = 1 ； TR1 = 1 ；定时器 T0 设置参数定时器 T1 设置参数 init； /液晶显示初始化程序 while1 wc51r0x84； wc51ddrH； wc51ddre； wc51ddrl； wc51ddrl； wc51ddro；iftest = 0 num_medium+；datamade；motor_control； 3.5 编写设计说明书直流电

29、动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范畴内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用；从掌握的角度20 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 来看,直流调速仍是沟通拖动系统的基础；早期直流电动机的掌握均以模拟电 路为基础,采纳运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,掌握 系统的硬件部分特别复杂,功能单一,而且系统特别不敏捷、调试困难,阻碍 了直流电动机掌握技术的进展和应用范畴的推广；随着单片机技术的日新月 异,使得很多掌握功能及算法可以采纳软件技术来完成,为直流电动机的

30、掌握 供应了更大的敏捷性,并使系统能达到更高的性能；采纳单片机构成掌握系 统,可以节省人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率；传统的掌握系统采纳模拟元件,虽在肯定程度上满意了生产要求,但是因 为元件简洁老化和在使用中易受外界干扰影响,并且线路复杂、通用性差,控 制成效受到器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行牢靠性及精确性得不 到保证,甚至显现事故；目前,直流电动机调速系统数字化已经走向有用化,相伴着电子技术的高 度进展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特殊是单片机技术的 应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高牢靠性已成为 它进展的趋势；4. 设计总结经过

31、一个星期的课程设计,留给我印象最深的是要设计一个胜利的电路,必需要有要有扎实的理论基础,仍要有坚持不懈的精神；本次的课程设计实现了对直流电机的调速和测速,个人感觉其中仍有很多 不够完善的地方,此次的设计并不奢望肯定能胜利,但肯定要对已学的各种电子学问能有肯定的运用才能,例如: 让我更加深化的熟悉了单片机的作用,也进一步的明白了 PWM的工作原理；在各部件的配置组合方面也得到了进一步的了 解,学习了 H桥驱动电路的功能及应用,重新巩固了霍尔传感器工作原理；这次的设计让我明白了在学校中所学的任何科目都是相当重要的,由于在 设计创作中,每个科目,每个方面的学问都是缺一不行的,我们都必需能够融 会贯穿

32、,把所学到各项理论都能够应用到实践当中,制造出要求的产品；当然这次的课设也能检查下对所学学问的运用才能的好坏,并且开头渐渐21 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 走上制造的道路,这是特别珍贵的一点；参考书目1 竺可桢 . 物理学 . 北京：科学出版社, 1973. 2 张昆,冯立群,余昌钰,等. 机器人柔性手腕的球面齿轮设计讨论. 沈阳工业高校学报, 1994, 342: 1-7. 参考文献表依据福州高校学报编排规范的要求书写,作者姓名写到第三 位,余者写“ ,等” 或“ ,et al.” ；序号作者 . 书名 . 出版地：出版者,出版年 . 22 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页,共 24 页