晶闸管直流调速系统

1、前言我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设

2、备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。为了推广直流电机在化工领域的使用，由于直流电机的功能已得到很大提高，因此更为人性化的设计势必在操作和显示方面。直流电机直流电动机调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制容易实现，并可通单片机，直流电机驱动芯片和开关元件来实现，所以本课题采用此法。同时考虑到以前的直流电机只能通过数码管来进行简单地显示转速，且不能清楚的了解其转向，而lcd液晶显示器可以弥补这一点，并且还添加一些更为人性化的提示，这是以前的数码管所不能代替的，这必将是

3、一个新的趋势。1 系统论述1.1 设计思路：直流电机pwm控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80c51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80c51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和led数码显示部分。液晶显示部分由1602lcd液晶显示模块组成; l

4、ed数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机pwm控制实现部分：主要由一些二极管、电机和l298直流电机驱动模块组成。1.2 基本原理主体电路：即直流电机pwm控制模块。这部分电路主要由80c51单片机的i/o端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过80c51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到l298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机pwm控制系统由以下电路模块组成：设计输

5、入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80c51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和led数码显示部分。液晶显示部分由1602lcd液晶显示模块组成。直流电机pwm控制实现部分：主要由一些二极管、电机和l298直流电机驱动模块组成。1.3 总体设计框图系统组成：直流电机pwm调速方案如图1.1所示：方案说明：直流电机pwm调速系统以at89c2051单片机为控制核心，由命令输入模块、lcd显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送pwm波形，h型驱动电路完成电机

6、正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到lcd显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。 图 1.1 直流电机pwm调速方案2 直流电机单元电路设计与分析2.1 直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和l298直流电机驱动模块（内含cmoss管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理2.1.1 直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。

7、下面以直流电动机作为研究对象。2.1.2 直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。图2.1 直流电动机结构2.1.3 直流电机工作原理直流电机电路模型如图2.2所示，磁极n、s间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图2.2

8、直流电动机电路模型2.1.4 直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压ue：长期运行的最高电压。 额定电流ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。 励磁电流if：施加到电极线圈上的电流。2.1.5 直流电机pwm调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势ea的正方向与电枢电流ia的方向相反，ea为反电动势；电磁转矩t的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩t2及空载转矩t0均与n相反，是制动转矩。图2.3 直流电机的数学模型根据

9、基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1： u=ea-ia（ra+rc）式1.1式1.1中，ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =ua-ir/ce 式1.2式1.2中，ce为电动势常数，是磁通量。由1.1式和1.2式得 n =ea/ce 式1.3 由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0v时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）pwm电机调速原理对于直

10、流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在t不变的情况下，改变t1和t2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 图2.3 施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压u时，其转速最大为vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为d=t1/t，则电枢的平均电压为： u平=u·d 式1.4由式1.3得到：n =ea/ceu·d/ ce=kd ；在假设电枢内阻转小的情况下式中k= u/ ce，是常数。图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图2.4 占空比与电机转速的关系由

11、图看出转速与占空比d并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机pwm调速原理。2.1.6 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从proteus选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示 2sk1058 : cmoss管 74l26 : 三太门 1n4006 : 二极管 vscource : 电源 motor-encoder : 直流电机 res : 电阻 at89c51 : 单片机 (在此并未显示) 图

12、2.5 直流电机驱动电路然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用l298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由l298芯片组装的驱动模块如图2.6 所示。所用元器件如下所示： 1n4006 : 二极管 at89c51 : 单片机 (在此并未显示) res : 电阻 motor-encoder : 直流电机 l298 : 电机驱动芯片 respack-8: 排阻图2.6 直流电机及其驱动电路2.1.7 程序设计流程图 图2.7 定时中断服务流程图2.2 直流电机的中断键盘控制模块2.2.1 外部中断设置（1） 外部中断允许设置中断控制寄存器ie的ex

13、0对应int0，ex1对应int1，ea为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将ie对应的位和总开关ea置1即可。如：开放外部中断0的设置：setb ex0setb ea开放外部中断0和1的设置：setb ex0setb ex1setb ea（2） 外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与tcon的it位有关。 tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0电平触发设置方法：clr itx，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法：setb itx1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式

14、。（3） 外部优先级设置 外部中断in0、int1的中断优先级的设置是通过设置ip寄存器实现的，ip的px0对应int0，px1对应int1。px置1为高级中断，px为0为低级中断。×××pspt1px1pt0px02.2.2 外部中断扩展方法在图2.8为外部中断扩展方法，设x1、x2、x3、x4、x5为外部警情信号，x1代表是加速信号，x1=0表示加速；x2代表减速信号，x2=0表示减速；x3代表正转信号，x3=0表示正转；x4代表反转信号，x4=0表示反转；x5代表停止信号，x5=0表示停止处理。 图 2.8 外部中断扩展电路当系统检测到有中断请求时，响应如下

15、中断服务流程图2.9。 图2.9中断服务流程23 1602lcd液晶显示模块2.3.1 引脚分布和接口信号说明(1)引脚分布1602液晶显示共有16个引脚，其引脚分布如图2.5所示。 图2.10 1602液晶显示模块引脚分布(2)引脚功能1602引脚功能如表2.1所示。表2.1 1602引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1vssvss为地电源9d2data i/o2vddvdd接5v正电源10d3data i/o3vee液晶显示偏压信号11d4data i/o4rs0输入指令，1输入数据12d5data i/o5r/w0写入指令或数据，1读信息13d6data i/o6e1读取信息，10

16、执行指令14d7data i/o7d0data i/o15bla背光源正极8d1data i/o16blk背光源负极2.3.2 lcd液晶电路图2.11 1602液晶显示模块组成2.3.3 显示程序流程图如3.12所示 图2.123 直流电机pwm控制系统的实现3.1 总电路图如图3.1所示 图3.1 直流电机3.2 总电路功能介绍直流电机pwm调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过lcd液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由80c51单片机内部给出。直流电机转动速度由lcd液晶显示。操作开关状态由液晶显示

17、器显示。3.3 直流电机控制程序org 0000h sjmp display org 0003h ljmp button ; 外部0中断入口地址 org 000bh ljmp dingshi ; 定时中断t0入口地址 rs equ p3.0 rw equ p3.1 e equ p3.4 org 0030h ; 此次直流电机的设计以lcd字符夜晶的 ; 显示程序为主程序display: setb ea ; 打开中断总开关 setb ex0 ; 打开外部中断0开关 setb it0 ; 打开外部中断0下降沿触发 mov tmod,#01h ; 设置定时工作方式 mov tl0,#0ffh ; 设置

18、定时初值 mov th0,#0ffh setb et0 ; 打开定时中断t0开关 clr p0.5 clr p0.6 clr p0.7 setb tr0 ; 定时器t0开始定时 mov dptr,#tab ; 夜晶显示的字符首地址 mov r0,#00h ; 脉宽的初值 mov r1,#16 ; "set speed please"的字符个数 mov r3,#00h mov r4,#00h lp9: lcall chushi lp2: acall busy mov a,#00h movc a,a+dptr mov p1,a acall datas inc dptr djnz

19、 r1,lp2 lp3: cjne r3,#00h,lp4 cjne r4,#00h,lp4 sjmp lp3 lp4: mov r7,#00h ; 中断的标志 mov r5,#09h ; current : 的字符个数 acall busy mov p1,#0c0h acall enable mov dptr,#mmtab acall busy lp5: mov a,#00h movc a,a+dptr mov p1,a inc dptr acall datas acall busy djnz r5,lp5 mov dptr,#stab mov a,r2 mov p1,a acall dat

20、as acall busy mov a,r3 ; 显示速度的十位 movc a,a+dptr mov p1,a acall datas acall busy mov a,r4 ; 显示速度的个位 movc a,a+dptr mov p1,a acall datas ; 使夜晶始终显示当前电机的速度 lp8: cjne r7,#00h,lp7 ; 速度不变时等待 ljmp lp8 ; 速度变时重新读入速度 lp7: sjmp lp4 chushi: ; 使夜晶显示的一些初始设置 acall busy mov p1,#00000001b ; 清屏并光标复位 acall enable acall b

21、usy mov p1,#00111000b ; 设置显示模式:8位2行5x7点阵 acall enable acall busy mov p1,#00001111b ; 显示器开、光标开、光标允许闪烁 acall enable acall busy mov p1,#00000110b ; 文字不动，光标自动右移 acall enable acall busy待添加的隐藏文字内容2 mov p1,#80h ; 写入显示起始地址 acall enable ret enable: ; 写入控制命令的子程序 setb e clr rs clr rw clr e ret datas: ; 写入数据子程序

22、 setb e setb rs clr rw clr e ret busy: ; 准备写入数据 clr e mov p1,#0ffh clr rs setb rw setb e jb p1.7,busy ret org 2000hdingshi: ; 定时中断服务程序 cpl p0.7 jnb p0.7,z1 ; 周期一定 mov a,#0ffh subb a,r0 mov th0,a setb tr0 reti z1: mov th0,r0 ; 脉宽 setb tr0 reti button: ; 从控制键盘中读取操作命令 push acc clr ex0 clr ea inc r7 ; m

23、ov a,#0ffh mov p2,a mov a,p2 jnb acc.0,aa0 jnb acc.1,kk0 jnb acc.2,zz jnb acc.3,ff jnb acc.4,ww0 ajmp qq aa0: cjne r0,#0ffh, aa1 ; 加速操作 ajmp qq aa1: mov a,r0 add a,#5 mov r0,a ajmp qq kk0: cjne r0,#00,mm ; 减速操作 ajmp qq mm: mov a,r0 subb a,#5 mov r0,a ajmp qq qq: mov a,r0 mov b,#5 div ab mov b,#10 di

24、v ab mov r3,a mov r4,b setb ex0 lcall delay lcall delay lcall delay lcall delay setb ea pop acc reti zz: setb p0.5 ; 正转操作 clr p0.6 mov r2,#2bh ; 正转标志 "+" lcall delay lcall delay lcall delay setb ex0 setb ea pop acc reti ff: clr p0.5 ; 反转操作 setb p0.6 mov r2,#2dh ; 反转标志 "-" lcall d

25、elay lcall delay lcall delay setb ex0 setb ea pop acc reti ww0: clr p0.5 ; 停止操作 clr p0.6 lcall delay lcall delay lcall delay setb ex0 setb ea pop acc reti delay: ; 延时子程序 mov r5,#0e0h mm0: mov r6,#30h mm1: djnz r6,mm1 djnz r5,mm0 ret tab: db 53h,45h,54h,20h db 53h,50h,45h,45h ; "set speed please

26、" 代码 db 44h,20h,50h,4ch db 45h,41h,53h,45h stab: db 30h,31h,32h,33h db 34h,35h,36h,37h ; "0,1,2,3,4,5,6,7" 代码 db 38h,39h,41h,42h ; "8,9,a,b,c,d,e,f" db 43h,44h,45h,46h mmtab: db 43h,4fh,52h,52h db 45h,4eh,54h,20h ; " current : " 代码 db 3ah end 4 系统仿真lcd液晶显示电路的系统仿真与调试：在proteus运行环境中首先检验lcd显示电路，添加程序，运行lcd液晶显示电路能，系统若运行成功将 得到如图8.1。此后在之前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图8.2所示。 图4.1 lcd液晶显示字符初步调试 图4.2 带中断控制