计算机控制技术 PWM电机速度控制系统设计.doc

计算机控制技术 课程设计 姓姓 名 名 学学 号 号 系系 别 别 专专 业 业 班班 级 级 指导教师 指导教师 二二 一一一一 年十二年十二 月月 十六十六 日日 目目 录录 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 包括原始数据 技术要求 工作要求 1 2 2 课程设计图纸内容及张数 1 3 设计内容 2 3 1 设计方案的选定与说明 根据给定任务 对所拟定的设计方案进行简要 论述 2 3 1 1 系统总方案论证与选择 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 三 直流电机的调速功能仿真 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 7 五 系统的电路原理图 8 六 系统的 PCB 图 8 3 3 论述方案的各部分工作原理 9 3 3 1 8051 单片机的基本组成 9 3 3 2 PWM 的基本原理 10 3 3 3 PWM 发生电路主要芯片的工作原理 11 3 3 4 H 桥驱动电路 12 3 3 5 霍尔传感器的工作原理 13 3 3 6 PI 转速调节器原理图及参数计算 14 3 4 相关的计算 14 3 5 编写设计说明书 21 4 设计总结 22 参考书目 22 1 1 1 课程设计目的课程设计目的 通过本课程设计 主要训练和培养学生的以下能力 1 查阅资料 搜集与本设计有关部门的资料 包括从已发表的文献中和从生产 现场中搜集 的能力 2 方案的选择 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 注意提高分析和解决实际问题的能力 3 迅速准确的进行工程计算的能力 计算机应用能力 4 用简洁的文字 清晰的图表来表达自己设计思想的能力 2 课程设计题目和要求课程设计题目和要求 2 1 课程设计的要求和内容 包括原始数据 技术要求 工作要求 1 要求设计电机速度控制系统 要求无余差 超调小 2 硬件采用 51 系列单片机 采用直流作为驱动元件 3 采用 keil c 作为编程语言 采用结构化的设计方法 2 2 课程设计图纸内容及张数 1 要求用 protel 设计出硬件电路图 2 画出系统控制框图 3 画出软件流程图 2 3 3 设计内容设计内容 3 1 设计方案的选定与说明 根据给定任务 对所拟定的 设计方案进行简要论述 3 1 1 系统总方案论证与选择 方案一 直接加直流电源来控制电机的转动速度 根据电动机在其额定电 压时 电动机有一定的额定转速 根据其输入电压的减小 其转动速度也相应 的减小 从而在传统的改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 从而起到控制电动机的转速问题 其中在单片机控制部分通过按键 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 图图 1 电路组成框图电路组成框图 方案三 采用 AT89C51 单片机进行控制 本设计需要使用的软件资源比较 简单 只需要完成编码器采样部分 键盘控制部分以及显示输出功能 采用 AT89C51 进行控制比较简单 易控制 可靠性高 抗干扰能力强 精度高且体 积大大减小 输出速度的调节是通过键操作 显示速度 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 具 键盘 AT89C51 单片机 数码显 示 D A0832 转换 电动机 3 有 4K 字节可编程闪烁存储器 可擦除的的只读存储器 PEROM ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了 一种灵活性高且价廉的方案 三级程序存储器锁定 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 接接口口电电路路 键键盘盘显示器 P PW WM M控控制制驱驱动动电电路路单单片片机机电电动动机机 光光电电编编码码器器 图图 2 电路组成框图电路组成框图 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 此方案操作性差且不安全 方案二不能及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 从控制理论与控制技术出发 充分发挥与应用本学科特点 所以 设计采用方案三 3 1 2 设计模块方案比较与分析 电机调速控制模块 方案一 采用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 采用继电器对电动机的开或关进行控制 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单 缺点是继电器的响应时间 慢 机械结构易损坏 寿命较短 可靠性不高 方案三 采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路 用单片机控制达林顿管 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 效率非常高 H 型电路保证了可以简单地实现转速 和方向的控制 电子开关的速度很快 稳定性也极佳 是一种广泛采用的 4 PWM 调速技术 兼于方案三调速特性优良 调整平滑 调速范围广 过载能力大 因 此本设计采用方案三 3 2 设计方案的图表 一 PWM 波软件软件设计 程序流程图 开始 按键查询 OPEN 是否按下 时 定时器 T0 开始计 时 Add speed 是否按 下 初始化 是是 增大矩形波占 空比 Sub speed 是否按 下 是 减小矩形波占 空比 Swap 或 close 是否按下 改变转向或关闭 电机 软件电机控制的方框图 产生矩形波 5 二 测速软件设计 开始 初始化 OPEN 是否按下 定时器 T1 开始计 时 对单位时间内的脉冲计 数 N 根据公式计算出电机的 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 6 二 霍尔传感器的电路原理图 霍尔传感器的测速电路 三 直流电机的调速功能仿真 当按下 open 键时 电机开始工作 若需要加快电机的转速 则按下 add speed 键 直到电机转速适中 相反 需要减慢电机的转速时 则按下 sub speed 键 待转速满意后 放开按键 当然 在某种特定的环境下 还需 改变电机的转速 此时 你可以按一下 swap 键 以达到改变电机转向的目的 当电机不工作时 则按下 close 键 直流电机调速系统的 Proteus 仿真图 7 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 电机速度的测量并显示功能仿真 对电机转速的显示 为使用者提供了更为直观的界面 用户可以根据液晶 显示屏上的数字 调整电机的转速 为调速提供了方便 从显示数字的稳定程 度 也可以判断电机转速的稳定性 若显示数字几乎不变 则说明电机工作十 分稳定 与之相反 显示数字不停地变化 则说明电机工作非常不稳定 直流电机系统的 Proteus 仿真 8 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 单片机控制单元 电机驱动电路 LCD 显示电路 霍尔传感器 电路构成 六 系统的 PCB 图 9 3 33 3 论述方案的各部分工作原理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 本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式 但在功能单元的控制上采用 了特殊功能寄存器的集中控制方法 其基本组成如下图所示 图图 2 2 8051 基本结构图基本结构图 2 CPU 及部分部件的作用功能介绍如下 中央处理器 CPU 它是单片机的核心 完成运算和控制功能 内部数据存储器 8051 芯片中共有 256 个 RAM 单元 能作为存储器使用的 只是前 128 个单元 其地址为 00H 7FH 通常说的内部数据存储器就是指这前 128 个单元 简称内部 RAM 内部程序存储器 8051 芯片内部共有 4K 个单元 用于存储程序 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计算机进行控制 中断控制系统 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 10 3 8051 单片机引脚图 图图 2 3 8051 单片机引脚图单片机引脚图 3 3 2 PWM 的基本原理 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 从而达到控制要求的一种电压调整方法 PWM 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 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 且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 来达到改变平均电压大小的目的 从而来控制电动 机的转速 也正因为如此 PWM 又被称为 开关驱动装置 如图 2 8 所示 图图 2 8 PWM 方波方波 设电机始终接通电源时 电机转速最大为 Vmax 设占空比为 D t1 T 则 11 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 当我们改变占空比 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 PWM 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 系统 PWM 信号发生电路中还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逻辑功能 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 所有计数器 位为主从触发器 计数器在时钟下降沿进行计数 当 CR 为高电平时 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 所有的输入和输出均经过缓冲 本系统使用 4040 作为串行计数器 芯片 4040 的引脚图如图 2 11 所示 图图 2 10 4585 引脚图引脚图 12 3 3 4 H 桥驱动电路 图 2 1 所示的 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机 电路得名 于 H 桥驱动电路 是因为它的形状酷似字母 H 如图 1 1 1 所示 要使电机运 转 必须导通对角线上的一对三极管 根据不同三极管对的导通情况 电流可 能会从左至右或从右至左流过电机 从而控制电机的转向 图 4 H 桥驱动电路 要使电机运转 必须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 电机周围的箭头指示为顺时针方向 图图 2 11 4040 引脚图引脚图 13 图 5 H 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 导通的情况 电流将从右至左流过电 机 当三极管 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 电机周围的箭头表示为逆时针方向 图 6 H 桥驱动电机逆时针转动 3 3 5 霍尔传感器的工作原理 霍尔效应 在一块半导体薄片上 其长度为 l 宽度为 b 厚度为 d 当它 被置于磁感应强度为 B 的磁场中 如果在它相对的两边通以控制电流 I 且磁 场方向与电流方向正交 则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流 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 V NT 14 3 3 6 PI 转速调节器原理图及参数计算 3 43 4 相关的计算相关的计算 3 4 1 PI 转速调节器参数计算 按照典型 II 型系统的参数选择方法 转速调节器参数和电阻电容值关系 如下 Kn Rn R0 n Rn Cn Ton 1 4 R0 Con 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 则 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 3 4 2 相关程序 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit open P2 0 sbit close P2 1 sbit swap P2 2 sbit sub speed P2 3 sbit add speed P2 4 图图 3 1 PI 转速调节转速调节 器原理图器原理图 15 sbit PWM1 P3 0 sbit PWM2 P3 1 液晶显示 sbit E P3 7 sbit RW P3 6 sbit RS P3 5 sbit test P3 4 int time 0 int high 20 int period 30 int change 0 int flag 0 int num medium 0 int num display 0 int count speed 0 uchar wword 0 x30 0 x31 0 x32 0 x33 0 x34 0 x35 0 x36 0 x37 0 x38 0 x39 延时 t 毫秒 void delay uchar t uint i while t 对于 11 0592MHz 时钟 延时 1ms for i 0 i 125 i t 16 写命令函数 LCD void wc51r uchar j RS 0 RW 0 P1 j E 1 E 0 delay 3 写数据函数 LCD void wc51ddr uchar j RS 1 RW 0 P1 j E 1 E 0 delay 2 初始化函数 LCD void init wc51r 0 x01 清屏 wc51r 0 x38 使用 8 位数据 显示两行 使用 5 7 的字型 wc51r 0 x0c 显示器件 光标开 字符不闪烁 17 wc51r 0 x06 字符不动 光标自动右移一格 8T0 中断服务程序 PWM 波的生成 void time0 int void interrupt 1 time time 为中断次数 TH0 0 xec TL0 0 x78 if change 0 PWM2 1 if time high high 次中断后电平由高电平变成高电平 PWM1 0 else if time period period 相当于周期 保持不变的 PWM1 1 time 0 else PWM1 1 if time high PWM2 0 else if time period PWM2 1 time 0 18 T1 中断服务程序 单位时间 S 方波的个数 void time1 int void interrupt 3 count speed if count speed 20 count speed 0 num display num medium num medium 0 速度显示的数据处理 void datamade uint data MM NN wc51r 0 xc2 wc51ddr S wc51ddr p wc51ddr e wc51ddr e wc51ddr d wc51ddr 0 x3a NN num display 100 MM num display 100 wc51ddr wword MM 19 MM NN 10 NN NN 10 wc51ddr wword MM wc51ddr wword NN 通过按键实现对电机开关 调速 转向的控制 void motor control if open 1 EA 1 if close 1 EA 0 if swap 1 change change while swap 0 if sub speed 1 high 改变 high 来改变占空比 if high 30 EA 0 while sub speed 0 20 if add speed 1 high if high 5 high 5 while add speed 0 主函数 void main P2 0 x00 ET0 1 to 中断允许位 ET1 1 TMOD 0 x11 TH0 0 xec 定时器 T0 设置参数 TL0 0 x78 TH1 0 x3c 定时器 T1 设置参数 TL1 0 xb0 TR0 1 TR1 1 init 液晶显示初始化程序 21 while 1 wc51r 0 x84 wc51ddr H wc51ddr e wc51ddr l wc51ddr l wc51ddr o if test 0 num medium datamade motor control 3 5 编写设计说明书 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