基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统

成绩运动控制系统课程设计题 目:基于单片机的直流伺服电机PWM控制系院系名称: 电气工程学院专业班级: xxx学生姓名: xxx学 号: xxxx:评语：1PAGEPAGE3摘要IntelMCS-51（51。51片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthPWM）调速产生于2070后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWMMCS—51PWMMCS—51PWM目录1、前言 1单片机的发展史 1本设计任务 12、总体设计方案 23、硬件电路设计 2硬件组成 2主要器件功能介绍 3直流伺服电机简介 3PWM简介及调速原理 4传感器选择 5电路组成 6晶振电路 6复位电路 6单相桥式整流电路 7调制电路 74、系统软件设计 8系统简介及原理 8系统设计原理 8程序流程图 105、建模 11控制框图 11参数计算 12PWM变换器环节的数学模型 14仿真结果图 14总结 16参考文献 17附件1：汇编设计 18附件2： 20PAGEPAGE31、前言单片机的发展史8那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：第一阶段（1976—1978：单片机的控索阶段。以Intel公司的SMotorolaZilogSCM第二阶段1978—1982IntelMCS—48础上推出了完善的，典型的单片机系列MCS－51.它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。MCS－5188数据总线16位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。②CPU外围功能单元的集中管理模式。③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。第三阶段（1982－1990：816IntelMCS－96将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，MCS－5180C51第四阶段1990－8/16/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。本设计任务任务:单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。功能主要包括：直流电机的正转；直流电机的反转；直流电机的加速；直流电机的减速；直流电机的转速在数码管上显示；直流电机的启动；直流电机的停止；2、总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。数码管显示数码管显示按键控制按键控制单片机PWM电机驱动图1P1.0P1.1PWMHF00003、硬件电路设计硬件组成PCMCS-51PWM服电动机等组成。具体相关硬件如下所示：二极管（1N4077）4（2SJ50）474LS0412213（GROUND）3.1硬件型号数量硬件型号数量1N40774MOTOR12SJ504RES474LS041CAPACITOR274LS082GROUND4AT89C511VCC3BUTTON3表3.1元件表主要器件功能介绍直流伺服电机简介能即使自行停转，由于这种“伺服”性能，因此而得名。直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂45SY01nn=E/KΦ=(Ua-IaRa)/KΦn;Φ为磁通;E;Ua;IaRa阻。直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较：PWMPWMPWMT的比值。其变化范围为0—1。如图2.1，UPWM32.1计算公式：占空比=ton/Ta)定宽调频法b)调宽调频法c)定频调宽法目前，在直流伺服电机的控制中，主要使用定频调宽法。V-MPWM4PWM1：10000V-M因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率比较高。传感器选择霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器1MHz)精度高。此外，其工作温度范围宽。其中最常用的有以下几种：霍尔元件式位置传感器120°电角度，永磁180°电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替180120°电角的矩形波信号。第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。电磁式位置传感器5在普通条件下的应用。电路组成晶振电路图2.3.1晶振电路图，由两个电容和一个晶振组成，晶振频率为12MHZ。C20FCRYSTALVCC

C130pFC3

U119 XTAL118 XTAL2复位电路

2.3.130u

9 RST2.3.2片机进行复位功能。PSENALEEA6 1 P1.02 P1.13 P1.24VCCC3VCC

30u10k R4图2.3.2复位电路图单相桥式整流电路2.3.34IGBT图2.3.3单相桥式整流电路图调制电路2.3.4IGBT。7PAGEPAGE10U2:AU2:A132VCC/VDD74LS08U2:BU3:A46125VCC/VDD74LS0474LS08图2.3.4调制电路图4、系统软件设计系统简介及原理转向，是一个典型的控制系统。脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的。当增加脉冲的占空比，伺服直流电动机转速增加；反之，其速度降低。所以通过控制脉冲的占空比可以控制伺服直流电动机的转速。AT89C51，其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通IGBTPWMQ1,Q3Q2,Q4PWM4IGBT系统设计原理正反转控制原理K31，转。实现该功能的子程序为：LOOP: JB K3,LOOPZF ；高电平逆时针转，低电平顺时针转CLRZFCLRZFLJMPLOOPK1LOOPZF:SETBZF加速控制原理K11，侧的电压，使伺服直流电动机加速；反之，电动机保持匀速转动。实现该功能的子程序为：LOOPK1: JBK1,LOOPK2；K1按下加速LCALLDELAYMOVA,PWMLADDA,#1；调宽值低4位加1MOVPWML,AMOVA,PWMHADDCA,#0；调宽值高4位加1MOVPWMH,AJNCLOOPK2；最大值时MOVPWMH,#0FFH减速控制原理K21，侧的电压，使伺服直流电动机减速；反之，电动机保持匀速转动。实现该功能的子程序为：LOOPK2: JB K2,OVER ；K2按下减LCALL DELAYMOV CLR CSUBBA,#1 41MOVPWML,AMOVA,PWMHSUBBA,#041MOVPWMH,AJNCOVERMOVPWMH,#00H；最小值时程序流程图3（正反转开关）0，则发出正转信号，电动机正转，反之电动机反转。检测完开关3，1（加速开关1（关的状态，发出加速的信号，（开的状态（减速开关（关的状态（开的状态速度保持不变。系统一直对三个开关信号循环检测，循环的执行程序。11开始开始设置定时计数器高低K3正转信号反转信号K1，加速NY增加计数器NK2，减速减少计数器图4.3程序流程图5、建模控制框图馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。转速用与电动机同轴相连的测速电机产生的正比于转速的电压信号反5.1系统的稳态结构框图。图5.1单闭环直流调速系统稳态结构框图5.2参数计算

图5.2单闭环直流调速系统动态结构框图求中给出的参数及大小：12PAGEPAGE14电动机：PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm 晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v Ks=44主回路总电阻：R=1Ω测速发电机：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A 系统运动部分：飞轮矩GD2=10Nm2电枢回路总电感量：要求在主回路电流为额定值10﹪时，电流仍连生产机械：D=10 s≤5﹪1、静态参数设计计算A、空载到额定负载的速降ΔnN由公式： nsD Nn(1s)N得：ΔnN≤5.26rpmB、系统开环放大倍数由公式： RIn d

（其中D，s已知）dNCeUNI RadNCe=0.1925Vmin/r）得：K=53.3

K)

n （由公式 算出CeNC、测速反馈环节放大系数a设：测速发电机电动势系数=UNc/nNc=0.0579Vmin/r测速发电机输出电位器RP2分压系数a2则a=Ceca2=0.011582、RP2DKpKKK p s由公式 CeKp≥20.14

（其中α即a）取Kp=21（若向小方向取，可能影响快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）k53.355.582、动态参数设计计算再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。PWM5.3PWMPWM控制器发PWMPWMT。UUUcPWM控制器gUPWM变换器d图5.3 PWM变换器环节框图根据其工作原理，当控制电压U 改变时，PWM变换器的输出电压要到下一CPWMT。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足 T3因此PWM控制与变换（简称PWM装置也可以看成是一个滞后环节，c其传递函数可以写成U(s)sW(s)Ud(s)sc

KeTsss10kHzT=0.1ms时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此KTsW(s) PTs1Kp——脉宽调制器和PWM变换器的放大系数。仿真结果图（信号为高电平时有效）。开关右侧的单片机AT89C51，IGBTPWMQ1,Q3PWMIGBT图5.4仿真结果图15PAGEPAGE19总结PWM在今后的学习中，我不但要将理论知识学好，还要将其应用到实践，并且将各科知识联系起来应用。参考文献【1蒋辉平 基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例(M)机械工业出版社2009【2】李群芳 单片微机计算机与接口技术(M)北京。电子工业出版社，2008【3】余国卫 单片微机计算机与接口技术实验指导书附件1：汇编设计K1BITP1.4；加速键K2BITP1.5；减速键K3BITP1.6；正反键CLKBITP0.0；速度控制信号ZFBITP0.1；正反控制信号PWMHEQU30H；调宽值，定时器所赋值PWMLEQU31HORG0000HLJMPMAINORG000BH；中断1控制周期LJMPTIMER1ORG001BH；中断3控制脉宽LJMPTIMER2ORG0030HMAIN:MOVPWMH,#00HMOVPWML,#0FHMOVTMOD,#11H；两个定时器都工作在方式1MOVTH0,#00H；65.536mm定时MOVTL0,#00HMOVTH1,PWMHMOVTL1,PWML

；脉宽SETBEA；CPU允许中断SETBET0；允许定时器T0中断SETBET1；允许定时器T1中断SETBTR0；定时器T0计数CLRCLKLOOP:JBK3,LOOPZF；高电平逆时针转，低电平顺时针转CLRZF；针转LJMPLOOPK1LOOPZF:SETBZFLOOPK1:JBK1,LOOPK2；K1按下加速LCALLDELAYMOVA,PWMLADDA,#141MOVPWML,AMOVA,PWMHADDCA,#041MOVPWMH,AJNCLOOPK2；最大值时