基于pwm直流电动机控制系统的设计

1、LOGOPWM Dc Motor Control System Design导 师：姓 名：学 号：专 业：计算机科学与技术基于基于PWMPWM直流电动机控制系统的设计直流电动机控制系统的设计内容提纲内容提纲 课 题 简 介2关 键 技 术3系 统 设 计4总 结 与 展 望11单片机技术2PWM技术1 123硬件设计软件设计系统仿真课课 题题 简简 介介1选题的背景和意义l 背 景l 意 义2现有电动机控制系统及技术的应用及分析3 关键技术l 单片机l PWM课题简介课题简介v选题的背景和意义选题的背景和意义 v随着电力电子技术的开展，直流电机调速已有逐随着电力电子技术的开展，直流电机调速已

2、有逐步被交流电机调速取代的趋势，但从供电的质量步被交流电机调速取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流电机仍有一定优势。和可靠性来看，直流电机仍有一定优势。 vPWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要波形含形状和幅宽度进行调制，来获得所需要波形含形状和幅值。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调值。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，这是因为输入和所需输出都是直流电压，因制，这是因为输入和所需输出都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽

3、的，仅仅是对脉冲此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行调制。的占空比进行调制。 课题简介课题简介v现有电动机控制系统及技术的应用及分析现有电动机控制系统及技术的应用及分析v直流电机是人类最早创造和应用的一种电机。与直流电机是人类最早创造和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因其结构复杂、维护困交流电机相比，直流电机因其结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约它的开展，应用不如交难、价格较贵等缺点制约它的开展，应用不如交流电机广泛。流电机广泛。 v但由于直流电动机具有优良的调速特性，调速平但由于直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力滑、方

4、便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式。是截止到目前为止调速系统

5、的主要形式。 关键技术关键技术v单片机技术单片机技术v单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器入式微控制器Microcontroller Unit，常用英文字母的缩写常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。最早是被用在工业控制领域。 v单片机由芯片内仅有单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器开的专用处理器开展而来。展而来。 v单片机内部结构单片机内部结构时钟电路时钟电路总线控制总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K 字节字节RAM 128字节字节SFR 21个个定时定时/计数器计数器2个个中断系统中断系统

6、5中断源中断源、2优先级优先级串行口串行口全双工全双工 1个个并行口并行口4个个RST EAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3V VCCCCV VSSSS关键技术关键技术vPWMvPWM(Pulse Width Modulation)控制技术控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要波形含形状和幅值。所需要波形含形状和幅值。 vPWM调速原理及输出波形如以下图所示调速原理及输出波形如以下图所示 ： 关键技术关键技术v PWM调速系统原理及波形输出图调速系统原理及波

7、形输出图 系统设计系统设计OneTwoThree硬件设计硬件设计键盘外围电路霍尔元件AT89C52单片机直流电机驱 动直流电机LED显示双 路 直 流 稳 压 电 源系统硬件原理图硬件设计硬件设计电机驱动方案 电源设计 复位电路设计 晶振电路设计 按键电路 LED显示电路 测速电路设计 硬件设计硬件设计u电机驱动方案u对于直流电机的驱动，为了更好的获得驱动效果采用L298输出并联驱动。也为了使直流电机的工作状态不影响主电路的工作状态在直流电机的两端并联RC电路隔离电机。uL298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置驱动一台电动机。5，7，10，

8、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。u以下图是L298与直流电机的连接图和逻辑状态表，IN1和IN2分别接单片机输出逻辑电平控制直流电机的运行状态，ENA接单片机PWM波输出端口。硬件设计硬件设计A-+MOTOR SERVOENAENBSENSEASENSEBIN1IN2IN3IN4GNDOUT4OUT3OUT2OUT1VSVSSL298RCVSENAIN1IN2运转状态0停止110正转101反转111利停100停止L298驱动直流电机图与逻辑功能表驱动直流电机图与逻辑功能表硬件设计硬件设计u电源设计u对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为

9、整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和根底。u考虑到在整个系统中电源的需求并不唯一即单片机需要+5V电源供电，电机驱动芯片L298需要+12V电源供电所以电源方案选用将市电220V转变为5V和12V直流稳压电源来实现。u采用双路输出的直流稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多成熟是集成元件可选择，电路的实现十分方便。S1AC1V+2AC3V-4D1C 20.1uR 15KC 12200uC 347 uC 410 00uC 50.1uC 60.1u5V12 VVCCVSLEDV

10、out1GND2Vin378 12Vin VoutGNDE?78 05系统供电电路图系统供电电路图 硬件设计硬件设计u复位电路设计u单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些存放器以及存储设备装入厂商预设的一个值。u单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两局部组成。按键高电平复位电路图按

11、键高电平复位电路图硬件设计硬件设计u晶振电路设计 u单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，单片机晶振的作用是为系统提供根本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各局部保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。 uAT89C52使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可。Y?CRYSTALC722uC822u外部晶振电路图外部晶振电路图 硬件设计硬件设计u按键电路的选择与设计u键盘输入、显示输出是人机对话的重要手段，是很关键的人机联系设备。数据输出显示采用数

12、码显示器较为实用可靠价廉；键盘实际上是一种按压式开关，通常，所用开关为机械弹性开关。 u按键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平。如果高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合，所以通过检测电平的上下状态，便可确认按键是否按下。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。u由于硬件设计比较复杂而且需要较多的按键器件，从经济的角度和方便程度来讲应用软件去抖动较为适宜，所以设计选择软件去抖动方案。R16.1kVCCSWSW-PBR26.1kC122u74ls14去抖动按键电路图去抖动按键电路图 硬件设计硬件设计uLED显示电路设计u由半导体发光二极管组成的数码显示器简称

13、LED是最常用的输出显示设备。它以廉价可靠耐用对电流电压要求低等优点在计算机应用系统中获得广泛应用。LED在脉冲工作状态下亮度较强，一般每秒可导通100500次。每段发光二极管须串接限流电阻，改变阻值可调整亮度。uLED数码管显示器有二种工作方式，即动态显示方式和静态显示方式。在动态显示方式中，各位数码管的各个端并连在一起，与单片机系统的一个I/O口相连，从该I/O口输出显示代码。在静态显示方式下，每位数码管的各个端与一个8位的I/O口相连。要在某一位数码管上显示字符时，只要从对应的I/O口输出并锁存其显示代码即可。7段数码管动态显示电路图段数码管动态显示电路图 硬件设计硬件设计u测速电路设计

14、 u对转速的检测有很多传感器可以应用，如光学编码器，霍尔元件和霍尔接近开关等。考虑到本钱和易用性等问题，本设计选用的是霍尔元件CS3020作为测速的传感器。在电机的转叶上贴上两片小磁钢，那么电机每转一圈，霍尔传感器输出两个脉冲 。uCS3020霍尔传感器内部有5个局部组成，即由稳压电路、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。其功能是把磁信号转换成电信号。NSNSINT0口AT89C52施密特反向器3020I/O口I/O口74LS47 七段译码器LED显示5V霍尔元件测速原理图霍尔元件测速原理图 霍尔元件功能图霍尔元件功能图 软件设计软件设计键盘扫描子程序键盘扫描子程序 PWM

15、PWM波发生波发生子程序子程序 测速子程序测速子程序 显示子程序显示子程序 软件设计软件设计u键盘扫描子程序键盘扫描子程序u独立式键盘由四个按键组独立式键盘由四个按键组成，分别控制电机的启动成，分别控制电机的启动、制动，正转、反转，加、制动，正转、反转，加速和减速其程序流程图如速和减速其程序流程图如图：图：u组成键盘的按键有触点式组成键盘的按键有触点式和非触点式两种，单片机和非触点式两种，单片机中应用的一般是由机械触中应用的一般是由机械触点构成的。在图中，当开点构成的。在图中，当开关关S未被按下时，未被按下时，P1.X输输入为高电平，入为高电平，S闭合后，闭合后，P1.X输入为低电平。由于输入

16、为低电平。由于按键是机械触点，当机械按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有触点断开、闭合时，会有抖动动所以在键盘的应用抖动动所以在键盘的应用中，一定要解决抖动问题中，一定要解决抖动问题。软件法其实很简单，就。软件法其实很简单，就是在单片机获得是在单片机获得P3.X口为口为低的信息后，不是立即认低的信息后，不是立即认定定S1已被按下，而是延时已被按下，而是延时10毫秒或更长一些时间后毫秒或更长一些时间后再次检测再次检测P1.X口，如果仍口，如果仍为低，说明为低，说明S确实按下了确实按下了，这实际上是避开了按键，这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。按下时的抖动时间。软件设计软件设计uPWM

17、PWM波发生子程序波发生子程序u用延时的方法实现用延时的方法实现PWMPWM波形输出的流程图如下图波形输出的流程图如下图。在本设计中，应用单片。在本设计中，应用单片机每机每5050个机器周期为个机器周期为PWMPWM波形的根本周期波形的根本周期AT89C52AT89C52采用采用12MHz12MHz的晶的晶体，即体，即PWMPWM波形的周期波形的周期为为50uS50uS，其频率为，其频率为20KHz20KHz，采用定频调宽的方法，采用定频调宽的方法。定时器。定时器T0T0确定确定PWMPWM波波的频率，的频率，T1T1确定高电平的确定高电平的时，这样改变时，这样改变T1T1的初值就的初值就可以

18、改变占空比。可以改变占空比。PWM波子程序波子程序 软件设计软件设计u测速子程序测速子程序u在测速功能的程序流程图在测速功能的程序流程图中可以看到，利用单片机中可以看到，利用单片机进行速度的转速测量比较进行速度的转速测量比较简单。转速的检测，实际简单。转速的检测，实际上是应用了两个中断效劳上是应用了两个中断效劳子程序，子程序，T0中断和中断和INT0中中断。如下图，断。如下图，INT0中断执中断执行的功能十分简单，就是行的功能十分简单，就是外部每输入一个脉冲，外部每输入一个脉冲，R0存放器就加存放器就加1。T0中断的中断的作用就是给定一个时间间作用就是给定一个时间间隔隔T，在，在T内应用内应用

19、INT0中断中断对外部脉冲进行计数，时对外部脉冲进行计数，时间到就送出间到就送出R0的数值，并的数值，并对其清零。由于测速电路对其清零。由于测速电路设计应用了两块小磁钢，设计应用了两块小磁钢，所以电机每转一圈，就会所以电机每转一圈，就会产生两个脉冲，因此我们产生两个脉冲，因此我们只需要定时只需要定时0.5S就可以得就可以得到电机到电机1S的转速了。程序的转速了。程序中的测速子程序，就是对中的测速子程序，就是对转速数据进行转速数据进行BCD码的转码的转换并且显示。换并且显示。测速子程序测速子程序 软件设计软件设计u显示子程序u在LED的硬件图中可以看到，单片机的P2口作为显示局部的数据输出口与控

20、制输出口。其中P2口的低四位作为BCD码的输出口，在LED的硬件图中可以看到，单片机的P2口作为显示局部的数据输出口与控制输出口。其中P2口的低四位作为BCD码的输出口，P2口的高四位分别控制四位LEDLED1、LED2、LED3和LED4。u其中，软件不可能显示到转速的千位数，因为我们只以一个存放器储存转速数据，所以本软件最大的检测转速值是255转每秒。LED的千位是正反转的标志位，当电机正转的时候不显示BCD码为1111，当电机反转的时候显示为“三型BCD码为1101。显示子程序显示子程序 系统仿真系统仿真vProteus软件不仅具有软件不仅具有EDA软件的仿真功能还能仿真单片机及其外围器件。是单片机软件的仿真功能还能仿真单片机及其外围器件。是单片机系统仿真的首选软件。这里选用其作为我设计的仿真。以下为系统的各个功能模块仿系统仿真的首选软件。这里选用其作为我设计的仿真。以下为系统的各