基于单片机的PWM直流电机调速系统设计

精品文档 1欢迎下载 现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化 因此必然要与各种控制元 件组成的自动控制系统联系起来 而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称 在这一系统中可对生产机械进行自动控制 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 自动化电 力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进 以达到高速 优质 高效率 地生产 在大多数综合自动化系统中 自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成 部分 另外 低成本自动化技术与设备的开发 越来越引起国内外的注意 特别对于 小型企业 应用适用技术的设备 不仅有益于获得经济效益 而且能提高生产率 可 靠性与柔性 还有易于应用的优点 自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的 重要组成部分 在如今的现实生活中 自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展 其 中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用 虽然直流电机不如交流电机那样结构 简单 价格便宜 制造方便 容易维护 但是它具有良好的起 制动性能 宜于在广 泛的范围内平滑调速 所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式 现在 电动机的控制从简单走向复杂 并逐渐成熟成为主流 其应用领域极为广泛 例如 军事和宇航方面的雷达天线 火炮瞄准 惯性导航等的控制 工业方面的数控机床 工业机器人 印刷机械等设备的控制 计算机外围设备和办公设备中的打印机 传真 机 复印机 扫描仪等的控制 音像设备和家用电器中的录音机 数码相机 洗衣机 空调等的控制 随着电力电子技术的发展 开关速度更快 控制更容易的全控型功率器件MOSFET 和IGBT成为主流 脉宽调制技术表现出较大的优越性 主电路线路简单 需要用的功 率元件少 开关频率高 电流容易连续 谐波少 电机损耗和发热都较小 低速性能 好 稳速精度高 因而调速范围宽 系统快速响应性能好 动态抗扰能力强 主电路 元件工作在开关状态 导通损耗小 装置效率较高 近年来 微型计算机技术发展速 度飞快 以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力 正向社会的各个领域渗透 直流调速系统向数字化方向发展成为趋势 1 21 2 国内外发展概况国内外发展概况 电力电子技术 功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大 它们是 密切相关 相互促进的 近 30 年来 电力电子技术的迅猛发展 带动和改变着电机 控制的面貌和应用 驱动电动机的控制方案有三种 工作在通断两个状态的开关控制 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 2 相位控制和脉宽调制控制 在单向通用电动机的电子驱动电路中 主要的器件是晶闸 管 后来是用相位控制的双向可控硅 在这以后 这种半控型功率器件一直主宰着电 机控制市场 到 70 和 80 年代才先后出现了全控型功率器件 GTO 晶闸管 GTR POWER MOSFET IGBT 和 MCT 等 利用这种有自关断能力的器件 取消了原来普 通晶闸管系统所必需的换相电路 简化了电路结构 提高了效率 提高了工作频率 降低了噪声 也缩小了电力电子装置的体积和重量 后来 谐波成分大 功率因数差 的相控变流器逐步由斩波器或 PWM 变流器所代替 明显地扩大了电机控制的调运范围 提高了调速精度 改善了快速性 效率和功率因数 直流电机脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 简称 PWM 调速系统产生于 70 年代 中期 最早用于不可逆 小功率驱动 例如自动跟踪天文望远镜 自动记录仪表等 近十多年来 由于晶体管器件水平的提高及电路 技术的发展 同时又因出现了宽 调速永磁直流电机 它们之间的结合促使 PWM 技术的高速发展 并使电气驱动技术推 进到一个新的高度 在国外 PWM 最早是在军事工业以及空间技术中应用 它以优越的性能 满足那 些高速度 高精度随动跟踪系统的需求 近八 九年来 进一步扩散到民用工业 特 别是在机床行业 自动生产线及机器人等领域中广泛应用 如今 电子技术 计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显 促进电机 控制技术以更快的速度发展着 随着市场的发展 客户对电机驱动控制要求越来越高 希望它的功能更强 噪声更低 控制算法更复杂 而可靠性和系统安全操作也摆上了 议事日程 同时还要求马达恒速向变速发展 还要符合全球环保法规所要求的严格环 境标准 进入 21 世纪后 可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现 已有的各 代电力电子元件还会不断地改进提高 1 31 3 本文的主要工作本文的主要工作 本文设计的直流 PWM 调速系统采用的是调压调速 系统主电路采用大功率 GTR 为 开关器件 H 桥单极式电路为功率放大电路的结构 PWM 调制部分是在单片机开发平 台之上 运用汇编语言编程控制 由定时器来产生宽度可调的矩形波 通过调节波形 的宽度来控制 H 电路中的 GTR 通断时间 以达到调节电机速度的目的 增加了系统的 灵活性和精确性 使整个 PWM 脉冲的产生过程得到了大大的简化 本设计以 AT89C51 单片机为核心 以键盘作为输入达到控制直流电机的启停 速 精品文档 3欢迎下载 度和方向 完成了基本要求和发挥部分的要求 在设计中 采用了 PWM 技术对电机进 行控制 通过对占空比的计算达到精确调速的目的 本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型 脉宽调制 PWM 控制原理和 H 桥 电路基本原理设计了驱动电路的总体结构 根据模型 利用 PROTEUS 软件对各个子电 路及整体电路进行了仿真 确保设计的电路能够满足性能指标要求 并给出了仿真结 果 第第 2 2 章章 直流调速系统概述直流调速系统概述 调速方法通常有机械的 电气的 液压的 气动的几种 仅就机械与电气调速方 法而言 也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节 电气调速有许多优点 如可简化机械变速机构 提高传动效率 操作简单 易于获得无极调速 便于实现远 距离控制和自动控制 因此在生产机械中广泛采用电气方法调速 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性 尽管它不如交流电动机那样结 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 4 构简单 价格便宜 制造方便 维护容易 但是长期以来 直流调速系统一直占据 垄断地位 所以 直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形 式 在我国许多工业 部门 如轧钢 矿山采掘 海洋钻探 金属加工 纺织 造纸以及高层建筑等需要高 性能可控电力拖动的场合 仍然广泛采用直流调速系统 而且 直流调速系统在理论 上和实践上都比较成熟 从控制技术的角度来看 它又是交流调速系统的基础 因此 我们先着重讨论直流调速系统 2 12 1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 直流电动机 多年来一直用作基本的换能器 绝大多数的直流电动机都是由电磁 力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的 图 2 1 为直流电机的物理模型 图 其中 固定部分 定子 由磁铁 称为主磁极 和电刷组成 转动部分 转子 由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成 定子与转子之间有一气隙 在电枢铁心上 放置了由 A 和 B 两根导体连成的电枢线圈 线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的 铜片上 此铜片称为换向片 换向片之间互相绝缘 由换向片构成的整体称为换向器 换向器固定在转轴上 换向片与转轴之间亦互相绝缘 在换向片上放置着一对固定不 动的电刷 B1 和 B2 当电枢旋转时 电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通 图 2 1 直流电机的物理模型图 直流电动机的工作原理如图 2 2 所示 给两个电刷加上直流电源 如图 2 2 a 所 示 有直流电流从电刷 A 流入 经过线圈 abcd 从电刷 B 流出 根据电磁力定律 载 流导体 ab 和 cd 收到电磁力的作用 其方向可由左手定则判定 两段导体受到的力形 成了一个转矩 使得转子逆时针转动 如果转子转到图 2 2 b 所示的位置 电刷 A 和 换向片 2 接触 电刷 B 和换向片 1 接触 直流电流从电刷 A 流入 在线圈中的流动方 向是 dcba 从电刷 B 流出 此时载流导体 ab 和 cd 受到电磁力的作用方向同样可由左 手定则判定 它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动 电枢一经转动 由于换向器 配合电刷对电流的换向作用 直流电流交替地由线圈边 ab 和 cd 流入 使线圈边只要 精品文档 5欢迎下载 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 这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向 这样的 结构 就可使电动机连续旋转 图 2 2 直流电机原理图 2 22 2 直流电机的调速方法直流电机的调速方法 根据直流电机的基本原理 由感应电势 电磁转矩以及机械特性方程式可知 直 流电动机的调速方法有三种 1 调节电枢供电电压 U 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压 从电动机额定转速向下变速 属恒转矩调速方法 对于要求在一定范围内无级平滑调 速的系统来说 这种方法最好 变化遇到的时间常数较小 能快速响应 但是需要 大容量可调直流电源 2 改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速 但只能减弱磁通 进行调速 简称弱磁调速 从电机额定转速向上调速 属恒功率调速方法 变化 时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多 响应速度较慢 但所需电源容量 小 3 改变电枢回路电阻 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法 设备 简单 操作方便 但是只能进行有级调速 调速平滑性差 机械特性较软 空载时几 乎没什么调速作用 还会在调速电阻上消耗大量电能 改变电阻调速缺点很多 目前很少采用 仅在有些起重机 卷扬机及电车等调速 性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用 弱磁调速范围不大 往往是和 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 6 调压调速配合使用 在额定转速以上作小范围的升速 因此 自动控制的直流调速系 统往往以调压调速为主 必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用 调节电枢供电电压或者改变励磁磁通 都需要有专门的可控直流电源 常用的可 控直流电源有以下三种 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获得可调的直流电 压 2 静止可控整流器 简称 V M 系统 用静止的可控整流器 如汞弧整流器和晶 闸管整流装置 产生可调的直流电压 3 直流斩波器 脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不可控整流电源供电 利 用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流 由发电机给需要调速的直 流电动机供电 调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压 从而调节电动机的转速 改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变 所以 G M 系统的 可逆运行是很容易实现的 该系统需要旋转变流机组 至少包含两台与调速电动机容 量相当的旋转电机 还要一台励磁发电机 设备多 体积大 费用高 效率低 维护 不方便等缺点 且技术落后 因此搁置不用 V M 系统是当今直流调速系统的主要形式 它可以是单相 三相或更多相数 半 波 全波 半控 全控等类型 可实现平滑调速 V M 系统的缺点是晶闸管的单向导 电性 它不允许电流反向 给系统的可逆运行造成困难 它的另一个缺点是运行条件 要求高 维护运行麻烦 最后 当系统处于低速运行时 系统的功率因数很低 并产 生较大的谐波电流危害附近的用电设备 图 2 3 晶闸管 电动机调速系统原理框图 V M 系统 直流斩波器又称直流调压器 是利用开关器件来实现通断控制 将直流电源电压 断续加到负载上 通过通 断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值 将固定电 压的直流电源变成平均值可调的直流电源 亦称直流 直流变换器 它具有效率高 体积小 重量轻 成本低等优点 现广泛应用于地铁 电力机车 城市无轨电车以及 精品文档 7欢迎下载 电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中 图 2 4 为直流斩波器的原理电路和输出电压波型 图中 VT 代表开关器件 当开 关 VT 接通时 电源电压 U 加到电动机上 当 VT 断开时 直流电源与电动机断开 电动机电枢端电压为零 如此反复 得电枢端电压波形如图 2 4 b 所示 图 2 4 直流斩波器原理电路及输出电压波型 a 原理图 b 电压波型 采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是 在这里晶闸管不受相位 控制 而是工作在开关状态 当晶闸管被触发导通时 电源电压加到电动机上 当晶 闸管关断时 直流电源与电动机断开 电动机经二极管续流 两端电压接近于零 脉 冲宽度调制 Pulse Width Modulation 简称 PWM 脉冲周期不变 只改变晶闸管的 导通时间 即通过改变脉冲宽度来进行直流调速 与 V M 系统相比 PWM 调速系统有下列优点 1 由于 PWM 调速系统的开关频率较高 仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得 脉动很小的直流电流 电枢电流容易连续 系统的低速运行平稳 调速范围较宽 可 达 1 10000 左右 由于电流波形比 V M 系统好 在相同的平均电流下 电动机的损 耗和发热都比较小 2 同样由于开关频率高 若与快速响应的电机相配合 系统可以获得很宽的 频带 因此快速响应性能好 动态抗扰能力强 3 由于电力电子器件只工作在开关状态 主电路损耗较小 装置效率较高 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器 简称 PWM 变换器 脉宽调速也可 通过单片机控制继电器的闭合来实现 但是驱动能力有限 目前 受到器件容量的限 制 PWM 直流调速系统只用于中 小功率的系统 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 8 2 32 3 H H 桥电机驱动的概述桥电机驱动的概述 采用 PWM 进行直流电机调速 其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端 因 此有必要对电机驱动电路进行介绍 图 2 5 H 桥式电机驱动电路 上图所示为一个典型的直流电机控制电路 电路得名于 H 桥式驱动电路 是因 为它的形状酷似字母 H 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿 而电机就是 H 中的横杠 上图及随后的两个图都只是示意图 而不是完整的电路图 电路中 H 桥式电机驱 动电路包括 4 个三极管和一个电机 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 2 6 H 桥式驱动电机顺时针转动 如上图所示 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 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 精品文档 9欢迎下载 图 2 7 H 桥式驱动电机逆时针转动 驱动电机时 保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要 如果三极管 Q1 和 Q2 同时导通 那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极 此时 电路 中除了三极管外没有其他任何负载 因此电路上的电流就可能达到最大值 该电流仅 受电源性能限制 甚至烧坏三极管 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 10 第第 3 3 章章 系统的硬件设计系统的硬件设计 在图 2 3 所示的 V M 系统中和图 2 4 所示的 PWM 系统中 只通过改变触发或驱动 电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压 达到调节电动机转速的目的 它们都属于开环控制的调速系统 称为开环调速系统 在开环调速系统中 控制电压 与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系 即控制是单方向进行的 输出转速并不 影响控制电压 控制电压直接由给定电压产生 如果生产机械对静差率要求不高 开 环调速系统也能实现一定范围内的无级调速 而且开环调速系统结构简单 3 13 1 系统设计方案论证系统设计方案论证 1 1 电机调速控制模块电机调速控制模块 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 通过开关的切换对小车的速度 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 采用由三极管组成的 H 型 PWM 电路 用单片机控制三极管使之工作在占 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 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 2 2 PWMPWM 调速工作方式调速工作方式 方案一 双极性工作制 双极性工作制是在一个脉冲周期内 单片机两控制口各 输出一个控制信号 两信号高低电平相反 两信号的高电平时差决定电动机的转向和 转速 精品文档 11欢迎下载 方案二 单极性工作制 单极性工作制是单片机控制口一端置低电平 另一端输 出 PWM 信号 两口的输出切换和对 PWM 的占空比调节决定电动机的转向和转速 由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小 其电流的最大波 动也比双极性工作制的小 所以我们采用了单极性工作制 3 3 PWMPWM 调脉宽方式调脉宽方式 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 并且在采用单片机产生 PWM 脉冲 的软件实现上比较方便 4 4 PWMPWM 软件实现方式软件实现方式 方案一 采用定时器做为脉宽控制的定时方式 这一方式产生的脉冲宽度极其精 确 误差只在几个 us 方案二 采用软件延时方式 这一方式在精度上不及方案一 特别是在引入中断 后 将有一定的误差 故采用方案一 3 23 2 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 硬件电路设计框图如下图所示 硬件电路结构初步设想由以下 6 部分组成 时钟 电路 复位电路 单片机 驱动电路 驱动电路部分采用了以 GTR 为可控开关元件 H 桥电路为功率放大电路所构成的电路结构 控制部分采用汇编语言编程控制 AT89C51 芯片的定时器产生 PWM 脉冲波形 通过调节波形的宽度来控制 H 电路中的 GTR 通断时间 便能够实现对电机速度的控制 根据硬件系统电路设计框图 对各部分模块的原理进行分析 编写个子模块程序 最终将其组合 复位电路 单片机 时钟电路 输入电路 驱 动 电 路 图 3 1 硬件系统电路设计框图 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 12 3 33 3 系统各模块设计系统各模块设计 3 3 13 3 1 时钟电路时钟电路 单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准 有条不紊地一拍一拍地工 作 因此时钟频率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直接影响单片机系统的 稳定性 电路中的电容 C1 和 C2 典型值通常选择为 30pF 左右 对外接电容的值虽然 没有严格的要求 但电容的大小会影响振荡器的频率高低 振荡器的稳定性和起振的 快速性 晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高 单片机的运行速度也越快 XTAL1 XTAL2 图 3 2 时钟电路 本设计采用频率为 12MHZ 微调电容 C1 和 C2 为 30pF 的内部时钟方式 电容为瓷 片电容 判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的方法 就是用万用表 测量单片机晶振引脚 18 19 脚 的对地电压 以正常工作的单片机用数字万用表测 量为例 18 脚对地电压约为 2 24V 19 脚对地电压约为 2 09V 3 3 23 3 2 复位电路复位电路 复位是单片机的初始化操作 其主要作用是把 PC 初始化为 0000H 使单片机从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行出错或 操作失误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需要按复位键以重新启动 精品文档 13欢迎下载 RESET RESET 图 3 3 复位电路 单片机的复位电路在刚接通电时 刚开始电容是没有电的 电容内的电阻很低 通电后 5V 的电通过电阻给电解电容进行充电 电容两端的电会由 0V 慢慢的升到 4V 左右 此时间很短一般小于 0 3 秒 正因为这样 复位脚的电由低电位升到高电位 引起了内部电路的复位工作 这是单片机的上电复位 也叫初始化复位 当按下复位 键时 电容两端放电 电容又回到 0V 了 于是又进行了一次复位工作 这是手动复 位原理 该电路采用按键手动复位 按键手动复位为电平方式 对于怀疑是复位电路故障 而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断 单片机正常工作时第 9 脚对地电压为零 可以用导线短时间和 5V 连接一下 模拟一下上电复位 如果单片 机能正常工作了 说明这个复位电路有问题 其中电平复位是通过 RET 端经电阻与电 源 VCC 接通而实现的 当时钟频率适用于 12MHZ 时 C 取 100uF R 取 10K 为保证可 靠复位 在初识化程序中应安排一定的延迟时间 3 3 33 3 3 稳压电源电路稳压电源电路 电池放电时内阻稳定的增大 电压则稳定的减小 而且接上大功率的负载时电 压会瞬时降低 不能用于提供固定的电压 对于各种 IC 芯片需要的稳定电压 需 要专门的稳压器件 或者稳压电路 基本的稳压器有两种 线性 LDO 和开关 DCDC 其中前者只能降压使用 而前者还可以升压使用而且效率很高 控制芯片 89C51 的标准供电电压是 5V 可以选择使用线性电压调整芯片稳压 如 7805 最大输出电流 1 5A 内部过热保护 内部短路电流限制 典型输入电压 7 20V 输出电压 4 9 5 1V 静态电流典型值 4 2mA 压差 输出与输入的差 至 少 2V 78L05 电流较小 最大输出电流 100mA 内部过热保护 典型输入电压 7 20V 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 14 输出电压 4 75 5 25V 静态电流典型值 3mA LM317 电压可调 输出电流可达 1 5A 输出电压 1 2V 37V 内部过热保护等 选用 7805 一方面简单 另一方面比较常用且比较便宜 LM78 系列是美国国家半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路 我国和世界 各大集成电路生产商均有同类产品可供选用 是使用极为广泛的一类串联集成稳压器 内置过热保护电路 无需外部器件 输出晶体管安全范围保护 内置短路电流限制电 路 对于滤波电容的选择 需要注意整流管的压降 稳压电源由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路组成 a 整流和滤波电路 整流作用是将交流电压变换成脉动电压 滤波电路一般由 电容组成 其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除 以得到较平滑的直流电压 b 稳压电路 由于得到的输出电压受负载 输入电压和温度的影响不稳定 为 了得到更为稳定电压添加了稳压电路 从而得到稳定的电压 VI 1 VO 3 GND 2 U1 7805 BR1 2W005G C4 330uf C1 0 1uf C2 1uf AC1 TR1 TRANSFORMER VCC C3 330uf D1 1N4007 R1 70 VCC V 5 00442 图 3 4 稳压电源电路 三端集成稳压器 LM7805 正常工作时 输入 输出电压差 2 3V C1 为输入稳定 电容 其作用是减小纹波 消振 抑制高频和脉冲干扰 C1 一般为 0 1 0 47 f C2 为输出稳定电容 其作用是改善负载的瞬态响应 C2 一般为 1 F 使用三端稳压器 时注意一定要加散热器 否则是不能工作到额定电流 二极管 IN4007 用来卸掉 C2 上 的储存电能 防止反向击穿 LM7805 查相关资料该芯片的最大承受电流为 0 1A 因 此输入端必须界限流电阻 R1 R1 12 0 9 5 0 1 58 取近似值 选用 70 的电 阻 1 1 此电源的缺点此电源的缺点 1 1 此电源是线性稳压电路 所有有其特有的内部功率损耗大 全部压降均转换 为热量损失了 效率低 所以散热问题要特别注意 1 2 由于核心的元件 7805 的工作速度不太高 所以对于输入电压或者负载电流 的急剧变化的响应慢 2 2 电源的优点电源的优点 精品文档 15欢迎下载 2 1 电路简单 稳定 调试方便 几乎不用调试 2 2 价格便宜 适合于对成本要求苛刻的产品 2 3 电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件 工作频率低 易于控制 3 3 43 3 4 信号输入电路信号输入电路 独立式按键就是各按键相互独立 每个按键各接入一根输入线 一根输入线上的 按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态 因此 通过检测输入线的电平状态 可以很容易判断哪个按键按下了 独立式按键电路配置灵活 软件简单 但每个按键 需要占用一个输入口线 在按键数量较多时 需要较多的输入口线且电路结构复杂 故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合 消除键抖动 一般按键在按下的时候有抖动的问题 即键的簧片在按下时会有轻 微的弹跳 需经过一个短暂的时间才会可靠地接触 若在簧片抖动时进行扫描就可能 得出不正确的结果 因此 在程序中要考虑防抖动的问题 最简单的办法是在检测到 有键按下时 等待 延迟 一段时间再进行 行扫描 延迟时间为 10 20ms 这可 通过调用子程序来解决 当系统中有显示子程序时 调用几次显示子程序也能同时达 到消除抖动的目的 k1 k2 k3 k4 K1 K2 K3 K4 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 启停 加速 减速 方向 图 3 5 控制输入电路 本文采用查询工作方式 即直接在主程序中插入键盘检测子程序 主程序每执行 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 16 一次则键盘检测子程序被执行一次 对键盘进行检测一次 如果把没有键按下 则跳 过键识别 直接执行主程序 如果有键按下 则通过键盘扫描子程序识别按键 得到 按键的编码值 然后根据编码值进行相应的处理 处理完后再回到主程序执行 3 3 43 3 4 电机电机 PWMPWM 驱动模块的电路驱动模块的电路 P2 6 P2 7 1 0 图 3 6 电机 PWM 驱动模块的电路 本电路采用的是以大功率 GTR 为开关元件 H 桥电路为功率放大电路所构成的电 路结构 如图 2 所示 图中 四只 GTR 分为两组 和为一组 和为另 1 VT 4 VT 2 VT 3 VT 一组 同一组中的两只 GTR 同时导通 同时关断 且两组晶体管之间可以是交替的导 通和关断 GTR 是一种双极性大功率高反压晶体管 它大多用作功率开关使用 而且 GTR 是 一种具有自关断能力的全控型电力半导体器件 这一特性可以使各类变流电路的控制 更加方便和灵活 线路结构大为简化 在电动机驱动信号方面 我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制 脉冲频率 对电动机转速有影响 脉冲频率高连续性好 但带带负载能力差脉冲频率低则反之 经实验发现 脉冲频率在 40Hz 以上 电动机转动平稳 但加负载后 速度下降明显 低速时甚至会停转 脉冲频率在 10Hz 以下 电动机转动有明显跳动现象 实验证明 脉冲频率在 15Hz 30Hz 时效果最佳 而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范 围内调节 通过 P2 6 输入信号 P2 7 输入低电平与 P2 6 输入低电平 P2 7 输入信 号分别实现电动机的正转与反转功能 通过对信号占空比的调整来对车速进行调节 精品文档 17欢迎下载 速度微调方面 可以通过对占空比跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减 利用孤立元件搭建的 H 桥电路一个缺点就是击穿 即 Q1 和 Q2 同时导通 或者 Q3 和 Q4 同时导通 选择使用芯片可减少这一状况 常用的电机 H 桥驱动芯片有 TA7291S NJU7382 L297 L298 第第 4 4 章章 系统的软件设计系统的软件设计 4 14 1 单片机选择单片机选择 20 世纪 80 年代以来 单片机的发展非常迅速 就通用单片机而言 世界上一些 著名的计算机厂家已投放市场的产品就有 50 多个系列 数百个品种 目前世界上较 为著名的 8 位单片机的生产厂家和主要机型如下 美国 Intel 公司 MCS 51 系列及其增强型系列 美国 Motorola 公司 6801 系列和 6805 系列 美国 Atmel 公司 89C51 等单片机 美国 Zilog 公司 Z8 系列及 SUPER8 美国 Fairchild 公司 F8 系列和 3870 系列 美国 Rockwell 公司 6500 1 系列 美国 TI 德克萨司仪器仪表 公司 TMS7000 系列 NS 美国国家半导体 公司 NS8070 系列 等等 尽管单片机的品种很多 但是在我国使用最多的还是 Intel 公司的 MCS 51 系列 单片机和美国 Atmel 公司的 89C51 单片机 MCS 51 系列单片机包括三个基本型 8031 8051 8751 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 18 8031 内部包括一个 8 位 CPU 128 个字节 RAM 21 个特殊功能寄存器 SFR 4 个 8 位并行 I O 口 1 个全双工串行口 2 个 16 位定时器 计数器 但片内无程序存 储器 需外扩 EPROM 芯片 比较麻烦 不予采用 8051 是在 8031 的基础上 片内集成有 4K ROM 作为程序存储器 是一个程序不 超过 4K 字节的小系统 ROM 内的程序是公司制作芯片时 代为用户烧制的 出厂的 8051 都是含有特殊用途的单片机 所以 8051 适合与应用在程序已定 且批量大的单 片机产品中 也不予采用 8751 是在 8031 基础上 增加了 4K 字节的 EPROM 它构成了一个程序小于 4KB 的 小系统 用户可以将程序固化在 EPROM 中 可以反复修改程序 但其价格相对 8031 较贵 8031 外扩一片 4KB EPROM 的就相当与 8751 它的最大优点是价格低 随着大 规模集成电路技术的不断发展 能装入片内的外围接口电路也可以是大规模的 也不 予采用 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机存取数据存储器 ROM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合 可灵活应用于各种控制领域 此设计就采用 AT89C51 4 24 2 系统软件设计分析系统软件设计分析 在进行单片机控制系统设计时 除了系统硬件设计外 大量的工作就是如何根据 每个生产对象的实际需要设计应用程序 因此 软件设计在控制系统设计中占重要地 位 键盘向单片机输入相应控制指令 由单片机通过 P2 6 与 P2 7 其中一口输出与转 速相应的 PWM 脉冲 另一口输出高电平 驱动 H 型桥式电动机控制电路 实现电动机 转向与转速的控制 电动机所处速度级以速度档级数表示 速度分 10 档 快慢与电 动机所处速度级快慢一一对应 精品文档 19欢迎下载 在程序中通过软件产生 PWM 送出预设占空比的 PWM 波形 PWM 脉冲宽度调制 是一系列周期固定 占空比可调的脉冲系列 由于每个脉冲的高电平时间和低电平时 间之和必须等于周期数 所以输出电平的维持时间必须由定时器来控制 设 PWM 周期 为 T 高电平时间为 TH 低电平时间为 TL 电压为 VCC 则输出电压的平均值为 UAV VCC TH TH TL VCC TH T aVCC 当 VCC 固定时 其电压值取决于 PWM 波形 的占空比 a 而 PWM 的占空比由单片机软件内部用于控制 PWM 输出的寄存器值决定 通过对单片机定时器初始值的不同设置 来实现占空比 PWM 输出控制 用定时器 T0 完成 PWM 输出 电机的驱动脉冲频率为 16 6HZ 周期 60MS 定时器计数初值为 8AD0H 计数初值 X 计算方法 65536 X 30000 转换为十六进制 X 35536 8AD0H 软件主要由 3 部分组成 主程序 键盘扫描程序 中断处理程序 主程序流程如 图 4 1 所示 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 20 开始 初始化 启停键按下 开定时中断 关外中断 软件延时 去抖动 开外中断 启动定时 等待中断 启停键按下 Y N Y N 图 4 1 主程序流程图 初始化后 除义初始数据外 将定时器 T0 设为工作方式 1 F0 作为电机转向的 标志位 CT0 CT1 作为速度档位的标志 应用于后来的加速减速控制 HDIAN0 与 LDIAN0 作为高电平延迟时间存储单元 HDIAN1 与 LDIAN1 作为低电平延迟时间存储单 元 定时中断处理程序定时中断处理程序 采用定时方式 1 因为单片机使用 12M 晶振 可产生最高约为 65 5ms 的延时 对 定时器置初值 8AD0H 可定时 60ms 当 60ms 定时时间到 定时器溢出则响应该定时中 断处理程序 完成对定时器的再次赋值 PWMPWM 脉宽控制脉宽控制 精品文档 21欢迎下载 一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数 DIAN0 和低电平持续时间系数 DIAN1 组 成 本设计中采用的脉冲频率为 16 6Hz 可得 DIAN0 DIAN1 65536 占空比为 DIAN0 DIAN0 DIAN1 因此要实现定频调宽的调速方式 只需通过程序改变全局 变量 DIAN0 DIAN1 的值 该子程序流程图如图 4 2 中断响应 定时中断请求 关外中断 WAY 0 P2 6置1 P2 7 1 存定时 DIAN0 P2 7置1 开外中断 中断返回 P2 7置1 P2 6 1 存定时 DIAN1 P2 6置0 存定时 DIAN1 P2 7置0 存定时 DIAN0 P2 6置1 Y N YYNN 图 4 2 PWM 脉宽控制流程图 键盘中断处理子程序键盘中断处理子程序 采用中断方式 按下键 单片机 P3 2 脚产生一负跳沿 响应该中断处理程序 完成延时去抖动 键码识别 按键功能执行 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 22 外中断响应 中断请求 关外中断 K4 1 K1 1 开外中断 中断返回 K4 1 改变way Y N Y Y N K2 1 Y K3 1 Y 软件延时 去抖动 K1 1 N 软件延时 去抖动 N K2 0 加速 子程序 N 软件延时 去抖动 K3 1 减速 子程序 软件延时 去抖动F0 0 F0 1 启动定时 电机启动 F0 0 关闭定时 电机停止 Y N Y N Y N N Y 图 4 3 键盘中断处理流程图 调速档 持续加调速档 持续加 减速减速 调速档通过 0 10 共 11 档固定占空比 即相应档位相应改变 DIAN0 DIAN1 的 值 以实现调速档位的实现 软件设计的特点软件设计的特点 精品文档 23欢迎下载 对于电机的启停 在 PWM 控制上使用渐变的脉宽调整 即开启后由停止匀加速到 默认速度 停止则由于当前速度逐渐降至零 这样有利于保护电机 如电机运用于小 车上 在启动上采用此方式也可加大启动速度 防止打滑 对于运行时间的计算 显 示 配合传感器技术可用于计算距离 速度等重要的运行数据 键盘处理上采用 中断方式 不必使程序对键盘反复扫描 提高了程序的效率 第第 5 5 章章 单片机系统综合调试单片机系统综合调试 在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动 传动和控制 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 24 而现代智能控制系统中 对电机的控制要求越来越精确和迅速 对环境的适应要求越 来越高 随着科技的发展 通过对电机的改造 出现了一些针对各种应用要求的电机 如伺服电机 步进电机 开关磁阻电机等非传统电机 但是在一些对位置控制要求不 高的电机控制系统如传动控制系统中 传统电机如直流电机乃有很大的优势 而要对 其进行精确而又迅速的控制 就需要复杂的控制系统 随着微电子和计算机的发展 数字控制系统应用越来越广泛 数字控制系统有控制精确 硬件实现简单 受环境影 响小 功能复杂 系统修改简单 有很好的人机交换界面等特点 在电机控制系统开发中 常常需要消耗各种硬件资源 系统构建时间长 而在调 试时很难对硬件系统进行修改 从而延长开发周期 随着计算机仿真技术的出现和发 展 可用计算机对电机控制系统进行仿真 从而减小系统开发开支和周期 计算机仿 真可分为整体仿真和实时仿真 整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和 分析 从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解 即能对系统进行精确的预测 如 Matlab 就是一个典型的实时仿真软件 实时仿真是对时间点的动态仿真 即随着 时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态 Proteus 是一个实时仿真软件 用来仿 真各种嵌入式系统 它能对各种微控制器进行仿真 本系统即用 Proteus 对直流电机 控制系统进行仿真 5 15 1 PROTEUSPROTEUS 设计与仿真平台设计与仿真平台 Proteus 软件是 Labcenter Electronics 公司的一款电路设计与仿真软件 是一 个完整的嵌入式系统软 硬件设计仿真平台 包括 ISIS ARES 等软件模块 ARES 模 块主要用来完成 PCB 的设计 而 ISIS 模块用来完成电路原理图的布图与仿真 Proteus 的软件仿真基于处理器虚拟系统仿真模型 VSM 是目前最好的模拟单片机外 围器件的工具 它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片 机芯片 比如 MCS 51 系列 AVR PIC 系列等常用的 MCU 以及单片机外围电路 比 如 LCD RAM ROM 键盘 马达 LED AD DA 等 通过 Proteus 软件的使用我们能够 轻易地获得一个功能齐全 实用方便的单片机实验室 keilC51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一 它集编辑 编译 仿真于 一体 支持汇编 PLM 语言和 C 语言的程序设计 界面友好 易学易用 本文中由于我们主要使用 keilC51 软件编辑 调试程序 Proteus 软件仿真单片 机 我们重点研究了 Proteus 的 ISIS 模块用法 在下面的内容中 如不特别说明 我们所说的 Proteus 软件特指其 ISIS 模块 ISIS 直译为智能原理图输入系统 从 精品文档 25欢迎下载 ISIS 窗口各栏内容可知 PROTEUS VSM 所包括的内容都已整合到 ISIS 中 所以 ISIS 实际上是 PROTEUS VSM 的设计与仿真平台 ISIS 界面如下 图 5 1 ISIS 界面 5 25 2 PROTEUSPROTEUS 设计与单片机传统开发过程比较设计与单片机传统开发过程比较 单片机系统的传统开发过程 单片机系统原理图设计 选择元器件接插件 安装和电气检测 总称硬件设计 单片机系统程序设计 汇编编译 调试和编程 总称软件设计 单片机系统实际运行 检测 在线调试直至完成 总称单片机系统综合调试 单片机系统的现代开发过程 上述全部过程都可用 PROTEUS 来完成 其过程也可分为三步 在 ISIS 平台上进行单片机系统原理图设计 选择元器件接插件 安装和电气检测 简称为 PROTEUS 电路设计 在 KeilC 平台上进行单片机系统程序设计 汇编编译 代码级调试 最后生成目标 级代码文件 hex 也可以使用 ISIS 进行调试 在 ISIS 平台上将目标代码文件加载到单片机系统中 并实现单片机系统的实时交 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 26 互 协同仿真 5 35 3 仿真结果与分析仿真结果与分析 启动仿真后 初始状态 H 桥两端均为低电平 电机停转 R2 1k R3 1k U3 NOT U4 NOT 12V Q1 PN4141 Q2 PN4141 Q4 PN4143 Q3 PN4143 Q6 PN4141 Q5 PN4141 0 0 图 5 2 上电状态 按下启停按钮 电机顺时针方向转动 Q5 一端固定为低电平 Q6 一端为变化的 PWM 信号 控制电机转速 倘若此时按方向按钮 电机逆时针转动 如图 5 4 所示 此时 Q6 一端固定为低电平 Q5 一端为变化的 PWM 信号 控制电机转速 倘若此时 按启停按钮 电机停止转动 回到图 5 2 状态 精品文档 27欢迎下载 R2 1k R3 1k U3 NOT U4 NOT 12V Q1 PN4141 Q2 PN4141 Q4 PN4143 Q3 PN4143 Q6 PN4141 Q5 PN4141 0 1 图 5 3 启动状态 电机顺时针转动 R2 1k R3 1k U3 NOT U4 NOT 12V Q1 PN4141 Q2 PN4141 Q4 PN4143 Q3 PN4143 Q6 PN4141 Q5 PN4141 1 0 图 5 4 启动状态 电机逆时针转动 在图 5 3 电机顺时针转动状态下 对单片机 P3 7 端口的 PWM 波形做了粗略测量 按动多次减速键后 当 COT0 0AH 10 后 减速档位到达最高 不再减速 相当于速 度 1 档 示波器显示如图 5 5 高性能 PWM 直流调速系统的设计与应用 28 图 5 5 减速后 P3 7 波形 COT0 10 同理 按动多次加速键后 当 COT1 0AH 10 后 加速档位到达最高 不再加速 相当于速度 11 档 示波器显示如图 5 8 图 5 6 加速后 P3 7 波形 COT1 10 精品文档 29欢迎下载 结合 KeilC 中的不同时期的定时器计数初值 如附录 C 所示 比较发现 表 5 1 KeilC 中定时器计数初值比较 速度P3 7 0 计数初值P3 7 1 计数初值总计数值占空比 1 档8EC0H 32496 86F2H 34290 6678951 34 6 档8AD8H 32504 8ADAH 32506 650