基于51系列单片机的直流电机PWM调速系统设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上引 言随着科学技术的迅猛发展,电气设备发展日新月异.尤其以计算机,信 息技术为代表的高新技术的发展,使制造技术的内涵和外延发生了革命性的 变化,传统的电气设备设计,制造技术不断吸收信息控制,材料,能量及管 理等领域的现代成果,综合应用于产品设计,制造,检测,生产管理和售后 服务.在生产技术和生产模式等方面,许多新的思想和概念不断涌现,而且, 不同科学之间相互渗透,交叉融合,迅速改变着传统电气设备制造业的面貌, 从而使得产品频繁的更新换代,这就使得电机成为社会生产和生活中必不可 少的工具. 随着科学技术的不断发展,人类社会的不断进步,人们对生活产品的需 求要不断趋向多样

2、化,这就要求生产设备必须具有良好的动态性能,在不同 的时候进行不同的操作,完成不同的任务.为了使系统具有良好的动态性能 必须对系统进行设计.特别是大型的钢铁行业和材料生产行业,为达到很高 的控制精度,速度的稳定性,调速范围等国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求,将直流电机制造成不同型号的系列.所谓系列就是指结构形状基本相似,而容量按一定比例 递增的一系列电机.它们的电压,转速,机座型号和铁心长度都是一定的等 级.现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。 Z2 系列为普通用途的中,小型电机.它的容量从 400W 到 200KW,电动 机的额定电压有 200

3、V 和 110V 两种,额定转速有 3000,1500,1000,750 及 600r/min 五个等级.Z2 系列普通用途的中型直流电动机,容量从 40KW 到 370KW. ZJD 系列为大型直流电动机,容量从 150KW 到 6500KW,主要用于驱动 大型轧钢机及卷扬机。要求,又由于交流调速在当时尚未 解决好调速控制问题,调速范围不大,控制精度低,快速性差等性能指标不 满足生产工艺的要求,所以当时大量使用的是直流电动机调速系统,尤其是 直流无级调速系统,它具有调速性能好,范围宽,动态性能好等优点,特别 是设计简单方便,虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展,制造工艺 技术的提高,大量

4、出现交流调速的传动系统,但直流传动所具有的优点特征, 至今仍大量广泛地使用直流调速.因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。1 直流电动机调速的概述1.1 直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式： n=U/Cc-TR内/CrCc （公式 1-1）其中：U电压； 励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制

5、，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运 动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分 主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1-1所示：图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控

6、制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变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，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。1.2 直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电

7、枢端电压的平均值：A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。（图1-2）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(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，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。1.3 控制程序设计 控制程序设计有两种方法：软件延时法和计数法。软件延时法的基本思路是：首先求出占空比D=t(1)/T，再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t(0)，所以M= t(0

8、)/ t(1)。然后，再断电S个单位时间，所以S= t(2)/ t(0)。改变M和S的值，从而也就改变了占空比D。计数法的基本思路是：当单位延时个数M求出之后，将其作为给定值存放在某个存储单元中。在通电过程中，对通电单位时间的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，使电机断电。软件采用定时中断进行设计。如图所示当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整P1.1输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。2 硬

9、件设计2.1 单片机AT89C51AT89C5是八位单片机MSC-51的升级版，又世界著名的半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术闪存在生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到的新型产品。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非

10、易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C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，本次设计根据最小系统使用双列直插DIP-40的封装。DIP-40封装89C51引脚图2.2 复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位电路通常分两种：上电复位和手动复位。 上电复位 手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞得情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位

11、。高频率的时钟有利于程序的更快运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取适合的频率即可。适合频率的晶振介入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30PF陶瓷电容帮助起振。单片机最小系统2.3 PWM波形的程序实现 随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定 时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50 Hz ，占空比为1：1，则和 R0载入30H和

12、31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示 ： 图 2-1 程序流程图 2.4 直流电动机的驱动L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。图为L298N的内部电路结构图。L298N内部电路结构图L298N可接受标准TT

13、L逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表2-1是L298N功能逻辑图。 表为L298N功能逻辑图 L298N外形封装及管脚定义可见图下L298N外形封装及管脚定义在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用

14、IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机图2-2 L298内部结构和功能引脚图L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用 L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机 、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。其内部结构和引脚功能如图 2-2所示。L298 引脚符号及功能SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA 、ENB：使能端，输入PWM信号 IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OU

15、T3、OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑VCC：逻辑控制电源，4.57V GND:地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;IN1与IN2相 同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。2.5 续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间

16、和足够的电流承受能力。 由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。为保护芯片加上洗续流电路。电路的工作原理替如图2-3所示。电路的工作原理：当电机正转时 ，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。图2-3续流电路工作原理图3 软件设计3.1 主程序设计 该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态. #include<AT89X51.H>sbit start=P10; sbit direction=P11; sbit pwmup=P12; sbit pwmdown

17、=P13;sbit pwmout=P24; sbit in1=P20; sbit in2=P21;unsigned char tab=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e,0x00;unsigned char timebit=0,pwm=50,bitdisplay=0,ge=0,shi=0;unsigned int actualrate=0; void main(void) TMOD=0X02;TH0=0X9C;TL0=0X9C;EA=1;ET0=1;TR0=1;while

18、(1) while(start)in1=1;in2=1; if(direction=0)in1=1;in2=0; elsein1=0;in2=1; if(pwmdown=0) ys();pwm-;while(pwm=5) switch(bitdisplay) case 0 : P3=tabge;P1_4=1;P1_5=0;break;case 1 : P3=tabshi;P1_5=1;P1_4=0;break; bitdisplay+; if(bitdisplay=2)bitdisplay=0;if(pwmup=0) ys();pwm+;break; if(pwmup=0) ys();pwm+

19、;while(pwm=101) switch(bitdisplay) case 0 : P3=tabge;P1_4=1;P1_5=0;break;case 1 : P3=tabshi;P1_5=1;P1_4=0;break; bitdisplay+; if(bitdisplay=2)bitdisplay=0;if(pwmdown=0) ys();pwm-;break; P0=pwm/10*16+pwm%10; / actualrate=33*(pwm/100); /ar=(unsigned char)actualrate; /P3=ar/10*16+ar%10; /P3=33*pwm/1000

20、*16+(int)33*pwm/100%10; ge=(int)33*pwm/100%10; shi=33*pwm/1000; switch(bitdisplay) case 0 : P3=tabge;P1_4=1;P1_5=0;break;case 1 : P3=tabshi;P1_5=1;P1_4=0;break; bitdisplay+; if(bitdisplay=2)bitdisplay=0; 3.2 按键延时程序通过按键延时程序来判断按键的按下与否，消除按键的抖动void ys() unsigned char aaa,bbb; for(aaa=200;aaa>0;aaa-)

21、for(bbb=0;bbb<200;bbb+); 3.3 中断子程序用于驱动电机的启动程序time0() interrupt 1 using 0 if(timebit<pwm)pwmout=1; elsepwmout=0; timebit+; if(timebit>99)timebit=0;专心-专注-专业3.4 仿真图 在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。仿真结果如图3-1所示:图3-1仿真图 如仿真图所示，其中按键从上到下分别为电机开始转动、正反转、加速和减速控制.由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电路，因此本次设计用电机用L

22、298芯片驱动，其中IN1、IN2和IN3、IN4分别控制两个电机的转动。并用两位的共阴的数码管来显示其电机的转速（因为用秒来算其电机转速时需数码管较多因此我们这里用转每分来显示）。相应电机的显示如图3-2所示 图3-2电机转动图3.5 仿真结果分析当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，当按键P1.0按下的时候电机开始转动；当P1.1按下的时候电机开始正转，没按下的时候反转；当P1.2按下的时候电

23、机加速，P1.3按下开始减速。从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。4 调试与仿真初始状态，直流电机有如图4-1运行效果。 图4-1电机运转按下急停键，直流电机有图4-2的停止运行结果。图4-2电机停转按下加速键，直流电机有图4-3的正向加速运行结果。图4-3电机正转加速按下反减速键，直流电机有图4-4正向减速运行结果。图4-4电机反转减速 5 总结 通过本次实训，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：直流电机PWM调速、AT89C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。在做实训初始阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于莫老师和郭