基于单片机的直流电机控制系统

基于单片机的直流电机控制系统指导老师：〔XXXXXXX大学工学院电气工程及自动化XX230036〕摘要：直流电机是人类最早创造和应用的一种电机。在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已广泛应用于工业、航天领域的各个方面。论文主要介绍了直流电机调速系统的意义、基于单片机控制的PWM直流电机调速方法和PWM根本工作原理以及实现方法，通过对占空比的计算到达精确调速的目的。主电路主要采用两个小按键控制STC90C51单片机，将数据传输给单片机并产生脉宽调制信号，然后通过电机驱动电路对小型直流电机进行控制。通过按键的调试可以实现控制直流电机的速度。最后在软件方面，介绍了主程序和PWM信号发生程序的编写思路以及具体的程序实现。关键词：直流电机调速单片机脉宽调制1引言1.1课题研究的背景直流电机是最常见的一种电机，它已经广泛应用于交通、机械、化工、航空等领域中。早期的直流电机控制均以模拟电路为根底，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件复杂，功能单一，而且系统非常不灵活，调试困难，阻碍了直流电机控制技术的开展和应用范围的推广。PWM控制技术是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的周期和宽度以到达变压目的，或控制电压脉冲的周期和宽度以到达变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的PWM控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。随着近代电力电子技术和计算机技术的开展以及现代控制理论的应用，单片机成为了直流电机调速不可或缺的局部之一。单片机具有体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，而被广泛应用于直流电机调速系统。在实际应用中，电机是把电能转化为机械能的主要设备，因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。电机调速性能对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着决定性的影响。所以，电机调速一直是研究的热点。1.2课题研究的目的及意义直流电机具有良好的启动性能和调速特性，虽然各种类型的电机层出不穷，然而在自动控制系统、电子仪器设备等方面，直流电机的应用还是占有突出地位。直流电机调速平滑，调速范围广，过载能力强，抗冲击负载能力强，可实现频繁的无极快速起动、制动、加/减速和正/反转。PWM直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点，在工厂企业得到广泛的应用。本课题是以单片机为主要控制核心，针对直流电机的调速系统进行设计，通过本次毕业设计培养我们综合运用所学的知识和技能解决问题的本领，稳固和加深对所学知识的理解；培养我们调查研究的习惯和工作能力。1.3国内外电机控制的研究现状及开展随着PWM技术的开展，我国直流电机调速也正向着脉宽调制方向开展。目前我国大局部数字化控制直流调速装置还是依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的开展空间，所以国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。1.4PWM变频调速开展前景PWM变频调速作为一项新的调速技术，在西方兴旺国家已得到广泛应用。目前，不管在同步电机调速方面，还是异步电机调速方面，PWM变频调速是众多交流调速方式的佼佼者。现代的变频器采用了通信技术领域中的脉宽调制技术，具体一点就是应用了采样控制理论中的一个重要理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果根本相同，冲量即窄脉冲的面积。PWM变频调速技术频调速灵活。调速的范围宽，在一定范围内可实现恒力矩输出，是一种相当适合电梯使用的调速方式，而且其本身的技术也在不断的革新中。随着PWM技术的不断改良，它的应用的范围也将不断的扩展。1.5课题研究内容及目标根据直流电机调速的控制要求确定整体的设计方案，完成单片机控制的PWM直流电机调速系统设计。该系统需能实现用软件产生PWM信号，并且通过单片机对信号传输到达对电机的启动和停止，加速和减速的控制。该系统主要由输入设备、单片机和电机驱动模块等局部组成。主要内容具体描述如下：1〕输入设备的选择：与矩阵键盘相比独立键盘结构简单，所以本设计采用独立键盘给单片机输入信号；2〕单片机的选型：MCS-51系列单片机有多种型号，其中STC90C51不仅兼容8051，还具有ISP编程和看门狗功能，这里选用单片机STC90C51作为控制核心；3〕电机驱动模块的设计：利用H桥式驱动电路可实现电机的正转，反转，制动的功能，作为半导体器件的三极管、二极管在应用领域被广泛使用，而且其性能比拟稳定可靠，所以用半导体电路作为电机的驱动芯片。2总体设计方案2.1系统总体方案设计2.1.1设计思路单片机控制的PWM直流电机调速系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速和正转、反转以及启动、停止的控制，能够很方便地实现电机智能控制。系统的主体电路是直流电机PWM控制模块。这局部电路主要由STC90C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等来控制直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便地实现直流电机的智能控制。该系统是通过STC90C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到驱动电路来控制直流电机的工作。该单片机控制的PWM直流电机调速系统主要是由以下几个电路模块组成：输入模块：这一局部主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和启动、停止控制。控制模块：主要由STC90C51单片机的外部扩展电路组成。直流电机PWM控制实现局部主要由一些二极管、电机和晶体管组成。2.1.2总体方案比拟与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度：根据电机在其额定电压时，电机有一定的额定转速。那么如果其输入电压减小，其转动速度也相应地减小。在传统的改变电机的转速中，就是利用所给电机的电压的不同，从而到达人们所需的转速。方案二：以单片机STC90C51为中心，通过D/A转换器，将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电机的转速问题。其中在单片机控制局部通过按键直接从程序中调出所需的速度值。电路组成框图如图1所示。方案三：采用STC90C51单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比拟简单，只需完成驱动电路局部和键盘控制局部。采用STC90C51进行控制比拟简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。STC90C51是STC在2003年推出的新型单片机品种。STC90C51是一个低功耗，高性能CMOS8位微控制器，片内含4KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，所以STC的STC90C51是一种高效微控制器。STC90C51单片机STC90C51单片机电机电机驱动电机电机驱动电路键盘键盘图1电路组成框图方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电机的转速有相应地减小，此方案操作性差且不平安。方案二不能及时地从电机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序那儿调用相应的数值给数码管显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都结合了本设计的特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用所学知识的特点。所以，本设计采用方案三。2.2直流电机调速原理分析直流电机结构多样，但不管什么样的直流电机都由定子和转子构成的。其中定子由主磁极、换向磁极、机座等几局部组成；转子主要由：电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。常见直流电机外形和内部结构如图2所示。直流电机按励磁方式的不同可分为：他励、并励、串励和复励电机四种。不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。对于直流电机来说人为机械特性方程式为：〔2-1〕式中：是电动机的理想空载转速，其值为；是转速差；是电枢供电电压〔V〕；是电枢回路总电阻〔Ω〕；是励磁磁通〔Wb〕；是电势系数；转矩系数。由式〔2-1〕可以看出，改变电枢电阻、电枢电压和励磁磁通中的任何一个都可以使转速发生变化，所以直流电机调速方法有以上三种：改变电枢电阻、改变电枢电压和改变励磁磁通。但是利用改变电枢电压调速可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围大等优点。故本设计采用改变电枢电压来进行调速。图2直流电机外形和结构示意图2.3PWM调速原理分析PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以到达变压或变频的一种控制技术。下面简述一下PWM调速系统的工作原理。图3给出PWM调速系统的工作原理电路及其输出波形。〔a〕〔b〕图3PWM调速系统的工作原理电路及其波形假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图2-3〔b〕的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压。如果，可定义为占空比。假定输入电压不变，越大，那么电机电压就越大，反之也成立。所以改变就可以到达调压的目的。改变有三种方法：第一种就是T1保持不变，使T2在0到∞之间变化，这叫定宽调频法；第二种就是T2不变，使T1在0到∞之间变化，这叫调宽调频法；第三种就是T保持一定，使T1在0到T间变化，这叫定频调宽法。本设计采用的是定频调宽法，电动机在运转时比拟稳定，并且在产生PWM脉冲实现上更方便。2.4输入模块方案的比拟与选择键盘是计算机不可缺少的输入设备之一，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。在本设计中，使用者可通过键盘对电机进行启动和制动、正转和反转、加速和减速控制。在电机调速控制系统中常用的有独立式键盘和矩阵键盘，本节主要针对键盘来进行介绍和选择。图4按键电路独立式键盘指直接用I/O接口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响其它I/O接口线的工作状态。独立键盘如图2-5所示。独立式键盘按键电路配置灵活，软件结构简单，但是每个独立键盘都占用一个I/O接口，在按键数量较多时，浪费I/O接口，所以其只适用在按键数量不多的系统中。2.5系统硬件组成本设计的调速系统主要是由：单片机、驱动电路、直流电机、接口电路、键盘等局部组成。硬件电路组成框图如图5所示：STC90C51STC90C51单片机电机电机驱动电路电机电机驱动电路键盘图5直流电机调速系统硬件本设计由单片机STC90C51接受键盘的信号并通过计算占空比产生出对应的PWM信号输出和控制信号输出。在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信号传送到STC90C51，STC90C51进行定时计数，计算出直流电机每分钟的转速，并送LED显示。3硬件系统设计本设计是基于单片机控制的PWM直流电机调速系统设计。本章将基于上一章为根底对硬件系统各局部作进一步分析，并且对硬件各局部电路加以呈现和分析。本系统控制对象是55LCX-1永磁式直流力矩电动机，主要技术指标如表1。针对要求分别对电源、PWM波形产生局部、电机驱动局部、键盘输入局部及测速显示局部进行设计。整体电路设计图见附录A。表155LCX-1主要技术指标55LCX-1峰值堵转连续堵转最大空载转速r/min转矩Nm电流A电压V转矩Nm电流A电压V0.424.2270.141.4920003.1STC90C516RD+单片机主控模块单片机的主控模块如图2，它以单片机STC90C516RD+为核心，STC90C516RD+系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期〔1T〕的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051系列单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。针对电机控制，强干扰场合。其主要性能特点如下：增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：5.5V-3.5V；工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz；用户应用程序空间64K字节；片上集成256字节RAM；通用I/O口〔32个〕，复位后为：准双向口/弱上拉〔普通8051传统I/O口〕；可设置成4种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均能到达20mA,但整个芯片最大不要超过120mA；ISP〔在系统可编程〕/IAP〔在应用可编程〕，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口〔P3.0/P3.1〕直接下载应用程序，数秒即可完成一片；有EEPROM功能；看门狗；具备双串口；工作温度范围：-40-+85oC〔工业级〕，0–75oC〔商业级〕；40管脚封装。由图6可知，单片机的18和19管脚接时钟电路，19管脚接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，18管脚接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，9引脚是复位输入端，接上电容、电阻及开关后构成上电复位电路。31管脚，当只访问内部程序存储器时该管脚直接接高电平。端口P0，P1，P2，P3为单片机的输入和输出端口，特别的当P0输出高电平时，必须接上拉电阻。其中P0端口可以做8位的数据总线和地址总线，P2端口可以作为8位的地址总线。P3端口还可以作为中断的输入端口复用。29引脚为程序存储器允许输出控制端，当单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出的低电平作为读外部程序存储器的选通信号。30引脚ALE，为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作时，ALE引脚不断地输出正脉冲信号。图6主控制器STC90C516RD+3.2直流电机驱动电路的设计本设计所采用的直流电机驱动电路由图7所示。对于图7所示电路：当DIR为低电平时，Q1，Q5截止，Q3导通，电动机左端呈现高电平；当PWM为高电平时，Q2，Q6导通，Q4截止，电动机右端呈现低电平，因此，在DIR为低电平，PWM为高电平时，电动机正转。反之，当DIR为高电平时，Q1，Q5导通，Q3截止，电动机左端呈现低电平；当PWM为低电平时，Q2，Q6截止，Q4导通，电动机右端呈现高电平，因此，在DIR为高电平，PWM为低电平时，电动机反转。当DIR和PWM同时为低电平时，电动机两端均为高电平，电动机停止转动，同样，当DIR和PWM同时为高电平时，电动机两端均为低电平，电动机也停止转动。这样既可对电机进行正反转控制。图7电机驱动电路3.3PWM波形发生原理本设计中PWM波形是用STC90C51单片机编程实现的，这局部硬件比拟少，主要保证AT89S51正常工作的最小模式就行了，STC90C51的P3.7引脚作为PWM波的输出口。产生的PWM波形如图8所示。图8PWM波形图3.4键盘局部设计前面已经介绍了选用独立式键盘作为该系统的输入设备，S1、S2、S3和S4分别控制电机的启停、方向、加速和减速，其与单片机的接口电路如图9所示。图9键盘输入电路3.5复位电路和时钟电路图10时钟电路图11复位电路单片机的每个功能部件都是以时钟控制信号为基准的，不仅时钟频率影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，时钟电路如图10所示。本设计采用12MHZ晶振，外接电容C1和C2选用30pF。外接电容会影响振荡器的频率上下、稳定性和起振的快速性，晶振频率越高即系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也越快。当单片机芯片和时钟系统正常工作时，用外用表可测出晶振脚XTAL1和XTAL2的电压分别为2.24V和2.09V。复位是单片机初始化操作，不仅可以正常工作时初始化，也可在发生故障时初始化，以摆脱困境，复位电路如图11所示。单片机的复位电路刚通电时，开始电容内没有电，通电后5V电压给电解电容充电，电容两端电压逐渐升至4V左右，复位由低电平变为高电平。当复位键按下时，C3开始发电，那么电容两端电压又恢复至0V，这就是进行了一次手动复位。3.6电源模块电源模块为系统板上其它模块提供＋5V电源，电源输入有两种方式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应大于7.5V，交流输入应大于5V，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源供应系统其它模块工作，另一种为从USB接口获取＋5V电源，只要用相应配套的USB线从电脑主机获取＋5V直流电源。图12电源模块4电机控制系统的软件设计C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，很多硬件开发都用C语言编程，如各种单片机、DSP、ARM等等。程序入口程序入口数据初始化数据初始化选择初始方向和初始速度选择初始方向和初始速度N按键闭合N按键闭合YYNS1?NS1?NS2?停止NS2?停止YNS3?YNS3?全速、取正向全速、取正向S4?YNS4?YN加速Y加速Y减速减速返回返回图13键盘子程序流程图C语言程序本身不依赖于机器硬件系统，根本上不做修改或仅做简单的修改就可将程序从不同的系统移植过来直接使用。C语言提供了很多数学函数并支持浮点运算，开发效率高，可极大地缩短开发时间，增加程序可读性和可维护性。在设计编程时要尽量向结构化、模块化方向编写，整个程序清单见附录。本章将对单片机控制的PWM直流电机调速系统的程序做具体分析。相对应用硬件实现PWM信号，用软件实现具有本钱低，限制少，实现便捷等优点。但是实现高性能的软件PWM，也不是容易的事情。软件PWM的最大难题是死区的大小，就是PWM的最少分辨时间；其次是程序的效率问题。用软件实现PWM信号，常用两种方法：一种是用定时器控制PWM输出，此种方法死区时间最少占5个指令周期，分辨率比拟低。第二种是应用指令延时实现PWM的输出，此种方法的分辨率可以到达一个指令周期，但是程序较为复杂，而且占用机时比拟多。理论上，把这两种方法结合起来，根据不同的占空比，采用相应适宜的方式可以比拟好的解决死区与效率的问题。因为本设计只需用到4个键，所以选用独立式键盘，这点在第二章已经有详细的分析了。这里用到的独立式键盘一共就由4个键组成，分别控制直流电机的停止，全速、取正向，加速和减速。本设计采用的STC9051单片机来实现软件方法模拟输出PWM波形，具体流程图见下列图14。入口入口PWM信号为高电平PWM信号为高电平延时延时PWM信号为高电平PWM信号为高电平延时延时图14PWM程序流程图图14就是用延时的方法实现PWM波形输出的流程图。在本设计中，应用单片机每50个机器周期为PWM波形的根本周期〔STC90C51采用12MHz的晶振，即PWM波形的周期为100uS，其频率为10KHz〕，采用定频调宽的方法。定时器T0确定PWM波的频率，T1确定高电平的时间，这样改变T1的初值就可以改变占空比。详细程序见附录。5实物焊接“锡接走线法〞，这是直接借助焊锡把各焊盘节点连接起来的一种走线方式，其有着线路清晰、工艺美观、性能稳定等特点。不过假设是直接用焊锡连接相邻焊盘的话，会比拟浪费焊锡，而且对焊锡质量以及个人焊接工艺都要求较高。在锡接走线之前可以先考虑好整个电路的布局，电源局部尽量放到一起，单片机最小系统放在实验板的中间，这样扩展电路方便一些。先用水笔画出走线图，当确定无误再用锡过线。焊接的时候单片机不要插在IC座上，先焊好IC座当电路全部完成后再上芯片。单片机IC座的下面是一个不错的楼盘，一些占地方而又很重要的元器件可以挤一挤放到下面去，外表美观又保护了这些元器件，如下图。图15锡接走线法例如图16实物图结论在该设计中我选用了STC90C51单片机，根本实现了用软件产生PWM信号，并且通过单片机将信号传输给电机驱动芯片，以实现对小型直流电机的启停、方向、加速和减速的控制。与以往的模拟测速相比拟，这种方法不仅精度高，而且平安稳定，维护方便。通过几个月的努力，我的毕业设计已接近尾声。这段时间通过查阅相关资料了解了直流电机调速系统，熟悉了单片机在控制系统中的应用，且将这几年所学的知识系统化、理论化、实用化。因为时间和个人水平限制，该设计仍然存在着缺乏，不是很完善，例如：测速所选用的方法范围狭隘，而且系统的稳定性和精度都有待提高。致谢本论文是在我的指导老师吴老师的悉心指导下完成的，她不仅严格要求我学习，还不断鼓励我进取，培养我形成良好的科研作风。在此我衷心地感谢吴老师，在她的精心指导和帮助下，我对直流电机的脉宽调制有了新的认识，并完成了基于单片机控制的PWM直流电机调速系统的设计工作。吴老师对待工作认真负责的作风和严谨的治学态度，使我受益匪浅。本次毕业设计工作的完成与大学四年中各位老师对我的教导和关心也是密不可分。机电工程系各位老师对科研一丝不苟和对教书育人理念认真负责的态度，让我永久受益。在此，对机电工程系的各位教师致以崇高的敬意。最后对各位专家、老师审阅我的论文深表感谢，并渴望给予批评指正。参考文献1黄友锐.单片机原理及应用[M].合肥：合肥工业大学出版社,2006.10.2彭伟.C语言程序设计实训100例——基于8051+proteus仿真[M].北京：机械工业出版社，2023.3童诗白，华成英.模拟电子技术根底[M].北京：高等教育出版社，2003.4阎石.数字电子技术根底[M].北京:高等教育出版社，2003.5王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.6阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2023.7李素娟，蒋维安.基于51单片机多通道直流电机调速设计[J].测控技术，2023，39〔6〕：30-32、1298ShyuJL,LiangTJandChenJF.Digitally-controlledPWMinvertermodulatedbymulti-randomtechniquewithfixedswitchingfrequency[J].IEEproc-Electr.powerAPpl.,Jan.2001,148(1):62-689G.EdwardSuh,CharlesW．O’Donnell，SrinivasDevadas，Aegis：asingle-chipsecureprocessor,IEEEDesignandTestofComputers．2023，24〔6〕570－580．10Mt.Prospect.MCS51FamilyofMicrocontrollersArchitecturalOverview.September1993TitleTheDCMotorSpeedControlSystemBasedOnSingleChipAbstractTheDCmotorisakindofmotorswhichwasthefirstinventedandappliedbyhuman.Alongwiththedevelopmentoftheages,thenumericalelectronicstechniquehasbeenalreadymadewidelyavailabletoourlife,work,research,eachrealm.Inallkindsofmechanicalofspeed,duetotheDCmotorhasagoodstart,brakeandtheperformanceofspeed,DCmotorcontrolsystemhasbeenwidelyusedinindustry,spaceflight,etc.ThispaperintroducesthesignificanceofaspeedgoverningsystemofDCmotor,akindofmethodofDCmotorspeedmodification,basedonPWMtheorybytheSCM,thebasictheoryandthewaytoimplement.ThemaincircuitisadoptedfourkeypadstocontrolSTC90C51mainly,conveydatatoSTC90C51producethesignalofPulse