基于51单片机的pwm直流电机调速装置设计.doc
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1、电气工程学院2014年“萌芽计划”科创训练计划报告 西南交通大学电气工程学院2014年 “萌芽计划”科创训练计划报告 题目: 直流电机调速装置 班级 微电二班 姓名: 学号: 20132124 日期: 2015.04.20 摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性。首先启动转矩大:带电刷的励磁直流电机产生的电流比感应式大,故产生力矩大。调速性能好:在宽广的范围内平滑地调速,过载能力强。与交流相比,虽然结构复杂,生产成本高,维护工作量大,但是直流电机调速在数控机床,纺织机械,电工机械等领域广为应用。我们生活中熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等,也都不能缺少直流电机,可见直流电机的控制是一
2、门很实用的技术。本文的设计是基于L298的直流电机调速控制,运用常见的89C51单片机为控制核心,采用L298为驱动芯片,TFT彩色液晶屏为液晶模块显示,设计出的直流电机调速系统。采用的原理是PWM占空比调速,PWM占空比调速是一种常用的调速方法,它通过改变负载两端的电枢电压,调整高低电平的时间长短来控制占空比从而实现调速。关键字:直流电机;PWM;L298 1 前言11.1开发背景11.2选题的目的和意义12总体方案设计22.1方案比较及论证22.1.1直流电机的调速方法22.1.2 PWM调速方式42.2方案选择52.3总体设计概述62.3.1系统总体设计框图63单元模块设计73.1电源模
3、块设计73.1.1功能介绍73.1.2电路设计73.1.4电路参数的计算及元器件的选择83.2L298N电机驱动模块设计93.2.1功能介绍93.2.2电路设计113.3TFT彩屏显示模块设计123.3.1功能介绍123.3.2电路设计123.3.3电路参数的计算及元器件的选择133.4单片机最小系统模块设计133.4.1功能介绍13 3.4.2电路设计14 3.4.3电路参数的计算及元器件的选择14 3.5 DS18B20温度传感器模块设计15 3.5.1功能介绍15 3.5.2电路设计16 3.6红外收发模块设计16 3.6.1功能介绍16 3.6.2电路设计174. 软件设计17 4.1
4、总体软件框图18 4.2主程序195系统调试与测试19 5.1硬件测试19 5.2软件调试20 5.3软硬件联合调试20 5.4软件仿真206系统功能、指标参数22 6.1系统实现功能22 6.2系统指标参数测试23 6.3系统功能及指标参数分析237设计总结23参考文献25附录127 附录228附录3281 前言1.1开发背景现代工业生产中,电动机是主要的驱动设备,目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZD拖动系统,取代了笨重的发电动一电动机的FD系统,又伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机
5、调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的(相对于交流电机),只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多,最常见的一种PWM脉宽调制,调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压,控制转速。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展,
6、到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。1.2选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,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。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的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,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能2。采用单片机构成控制
7、系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件,虽在一定程度上满足了生产要求,但是因为元件容易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,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行可靠性及准确性得不到保证,甚至出现事故。目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别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、高可靠性已成为它发展的趋势。2总体方案设计2.1方案比较及论证2.1.1直流电机的调速方法 直流电机是人类最早发明和应用的一种电机
8、,与交流电机相比,直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等因素制约了他的发展,应用不如交流电机广泛,但是,因为直流电机具有优良的起动、调速和制动性能,因此在工业领域中占有一席之地。直流电机的结构原理图如图1-1所示:图2-1-1直流电机结构原理图 虽然不同励磁方式的电机机械特性不同,但他们的转速都是由公式 (2-1)计算而得,式中 电枢供电电压(V); 电枢电流(A); 励磁磁通(Wb); 电枢回路总电阻();电势系数。 (2-2)其中p为电磁对数,为电枢并联支路数,N为导体数。由式可见,直流电动机的调速方法可以分为1.电枢回路串电阻的调速方法,2.调节励磁磁通的励磁控制方法,3.调节电枢电压
9、的电枢控制方法。在上述三种方法中,电枢回路串电阻后机械特性变软,系统转速受负载波动的影响较大,空载和轻载时能够调速的范围非常有限。另一方面,因调速电阻容量较大,一般多采用电器开关分级控制,不能连续调节,只能有级调速。同时所串的调速电阻上通过很大的电枢电流,会产生很大的功率损耗,转速越低。需串入的电阻值越大,损耗越大,这样使电动机的效率大为降低。该方法多用于对调速性能要求不高,而且不经常调速的设备上;励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制,在高速时,转速越高,换向越困难。电枢反应和换向元件中电流的去磁效应对于转速稳定性的影响较大,并且励磁线圈的电感较大,系统的动态响应较差。调节电枢电压的电枢控制方
10、法一般不超过额定电压。所以只能在低于额定转速的范围进行调节。在降低电枢端电压时,电动机的机械特性硬度不变,转速受负载波动的影响较小,速度的稳定性好,而且不管拖动哪一类负载,只要电压可以连续调节,系统的转速就可以连续变化,该方法可以实现无级调速,多用于对调速性能要求较高的设备上。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中目前广泛应用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(占空比)来控制电机的转速。这种方法称为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)即PWM控制.这里我采用了第一种改变电机两端电压的方法,采用脉冲控制PWM,改变占空比,从而改变电机两端电压,调节转速。2.1
11、.2 PWM调速方式PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到直流电机调速的一种方法。PWM调速可以应用在许多方面,比如:电机调速、温度控制、压力控制等等。占空比就是输出的PWM中,高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。例如,一个PWM的频率是1000Hz,那么它的时钟周期就是1ms,就是1000us,如果高电平出现的时间是200us,那么低电平的时间肯定是800us,那么占空比就是200:1000,也就是说PWM的占空比就是1:5。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,来控制电动机的转速。也正因为如此,PW
12、M又被称为“开关驱动装置”。如图1-2所示:图2-1-2 PWM方波 占空比的公式为,其中为一个周期内开关导通(即高电平)的时间,T为一个周期。占空比D表示了在一个周期里,开关管导通的时间与周期的比值,变化范围为0D1。当电源电压不变的情况下,电枢的端电压的平均值为,因此改变占空比D就可以改变端电压的平均值,从而达到调速的目的,这就是PWM调速原理。而改变占空比D的值有三种方法:调宽调频法:保持不变,只改变,这样使周期(或频率)也随之改变。定宽调频法:保持不变,只改变,这样使周期(或频率)也随之改变。定频调宽法:保持周期T(或频率)不变,同时改变和。调宽调频法和定宽调频法在调速时改变了控制脉冲
13、的周期(或频率),当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,使电路不稳定。因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。2.2方案选择由上所述,我选择的基于L298的直流电机调速控制方案为:利用STC89C51单片机进行核心控制,因为它的控制功能强、可靠性高、易扩展、市场上较为普遍。由L298芯片组成的驱动模块,因为L298N电机驱动芯片是一种高电压、大电流电机驱动芯片,可以直接通过电源来调节输出电压;并可直接用单片机的I/O口提供信号;并且驱动电路简单,input1-input4 输入控制电位来控制电机的正反转;Enable 控制电机停转,OUT1、OUT2之间
14、分别接1个电机;对于本设计直流电动机的驱动,完全满足于需要。TFT作为显示模块,它可以显示英文字母、符号、汉字。由C语言程序驱动单片机运行,分别在按下加速、减速、停止、反转键来实现电机的调速。其结构模块如下图所示: 图2-2 结构模块图2.3总体设计概述单片机直流电机调速简介:单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM是通过控制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
15、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”。本系统以89C51单片机为核心,通过单片机控制,C语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析:本直流电机调速系统以单片机系统为依托,根据PWM调速的基本原理,以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为依据,实现对直流电动机的平滑调速,并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提,是整个系统执行的基础,它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分,是对硬件端口所体现的信号,加以采集、分析、处理,最终实现控制器所要实现的各项功能,达到控
16、制器自动对电机速度的有效控制。2.3.1系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据,由PWM信号发生电路产生PWM信号,送到直流电机,从而实现对电机速度和转向的控制,达到直流电机调速的目的。 图2-3-1 系统总体设计框图3单元模块设计3.1电源模块设计3.1.1功能介绍图3-1-1 直流稳压电源的原理框图和波形变换由于电路中需要两个电压:12V和5V,电源中用了7812和7805两个三端集成稳压块。如图4.1首先通过变压器把生活用电交流220V降为交流18V,其次经由四个IN4007构成的桥式整流电路变为幅值变化直流电,再经电容滤波变为幅值变化较小的直流电,利用直流稳压器7812使输出
17、为稳定的+12V,最后经电容滤波,又利用直流稳压器7805使输出为稳定的+5V,最后经电容滤波,输出纹波较小的+5V直流电压源。图中D1、D2在电路中气保护作用,为了电路的稳定工作,在一般情况下,还需要接二极管作为保护电路,防止电路中的电容放电时的高压把集成稳压器烧坏。3.1.2电路设计电源模块电路设计如图: 图3-1-2 电源模块原理图3.1.4电路参数的计算及元器件的选择 对整流电路 输出电压平均值:输出电流平均值:对二极管 考虑到电网电压的波动范围为10%,实际选用二极管时,应至少有10%的量。 最大整流电流: 最高反向工作电压: 对滤波电路电容滤波电路是利用电容的充放电作用,使输出电压
18、趋于平滑。当副边电压u2处于正半周期并且数值大于电容两端电压uc 时,对电容C 进行充电;当u2 达到峰值后开始下降是,电容C 通过负载RL 放电;当u2 的负半周幅值变化到恰好大于uc 时,再次对C 进行充电。(电流方向如图7 所示) 滤波电路的输出电压曲线如图8 所示, 滤波电解电容C的选择原则是:取其放电时间常数RLC大于充电周期的35 倍,其耐压值必须大于脉动电压峰值。对于桥式整流电路来说,脉动电压峰值为2U2,C的充电周期等于交流电源周期T的一半,即C(35) T2RL,式中RL为整流后的等效负载电阻。通过可以看出,经滤波后的输出电压不仅变得平滑,而且平均值也得到提高。3.2L298
19、N电机驱动模块设计3.2.1功能介绍L298N是SGS-THOMSON Microelectronics所出产的全桥步进电机专用驱动芯片,内部包含四信道逻辑驱动电路,是一种二相和四相步进电机的专用驱动器,接受标准的TTL逻辑准位信号,可驱动46V、2A以下的步进电机。该芯片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。可以直接通过电源来调节输出电压;此芯片可以直接用单片机的I/O口提供模拟时序信号,电路简单,使用方便。L298N的引脚如图3-1所示,外形图如3-2所示,输入输出端
20、如图3-3所示。Pin1和Pin15可与电流侦测电阻连接来控制负载的电路;OUT1、OUT2、和OUT3、OUT4之间分别接两个电机;input1-input4输入控制电位来控制电机正反转;Enable则控制电机停转。图3-2-1 L298N引脚图图3-2-2 外形图L298的输入输出关系如下表所示:表3-1 L298N输入输出关系ENAIN1IN2电动机运行状态HHL正转HLH反转HHH急停LXX停止 数据来源:2009年潍坊学院学报 J. L298N 在直流电机PWM 调速系统中的应用根据L298N的输入输出关系,使能控制端ENA接AT89C51的P3.0口,并连接示波器显示占空比,单片机
21、IO口P3.1和P3.2分别接入L298N输入端IN1和IN2,可以控制电动机的正反转(输入端IN1为PWM信号,输入端IN2为低电平,电动机正转;输入端IN2为PWM信号,输入端IN1为低电平,电动机反转);电动机的转速由单片机调节PWM 信号的占空比来实现。3.2.2电路设计L298N电机驱动模块电路设计如下图: 图3-2-3 L298N电机驱动模块原理图3.3TFT彩屏显示模块设计3.3.1功能介绍TFT(Thin Film Transistor)即薄膜场效应晶体管,属于液晶显示器中的一种,也就是“真彩”(TFT)。能显示复杂的图象,画面的层次也更加丰富。TFT的特点是亮度好、对比度高、
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