基于单片机PWM控制直流电机的转速课程设计

-3-培黎机械工程学院课程设计报告（2022-2023学年第二学期）课程：运动控制系统实践题目：基于单片机PWM控制直流电机的转速

目录培黎机械工程学院 -1-课程：运动控制系统实践 -1-一、摘要 -3-二、设计目的和意义 -3-三、设计原理 -4-1.PWM基本原理 -4-2．直流电机PWM调速基本原理 -4-3.实现原理 -5-4、实现思路 -5-四、硬件设计 -5-1、硬件模块组成 -6-2、AT89C52主要性能 -8-3、L298电机驱动简介 -9-4、L298内部原理图 -9-五、系统软件设计 -9-六、心得体会 -14-

一、摘要脉冲宽度调制PWM(PulseWidthModulation),就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。本文利用AT89C52集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。电机是把电能转换成机械能的装置。电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。历来是自动控制系统的主要执行元件，在轧钢及其辅助机械、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床、造纸机、纺织机械等领域中得到了广泛的应用。换向器是直流电机的主要薄弱环节,它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压、最高转速等重要指标都受到限制,也给直流电机的制造和维护添了不少麻烦。然而，鉴于直流拖动控制系统的理论和实践都比较成熟，直流电机仍在广泛的使用。因此，长期以来，在应用和完善直流拖动控制系统的同时，人们一直不断

在研制性能与价格都赶得上直流系统的交流拖动控制系统，近年来，在微机控制和电力电子变频装置高度发展之后，这个愿望终于有了实现的可能。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉;但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能,所以目前极少采用。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。20世纪30年代末期，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。二、设计目的和意义在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中，并得到了长足的发展和进步，自动化控制系统更是得到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护，但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。而伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM表现出了很大的优越性，主电路线路简单，需用的功率器件少，开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小，低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右;若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强，功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高;直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。本设计采用PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了。三、设计原理1.PWM基本原理脉冲宽度调制(PWM)是--种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。简而言之，就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加;电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持稳定值。2．直流电机PWM调速基本原理PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t,改变占空比，达到控制目的。图1是直流PWM系统原理框图。这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。图SEQ图\*ARABIC1直流电动机PWM系统原理图3.实现原理51单片机可以通过编程控制直流电机的转速和方向，其原理是利用单片机的数字输出口来控制H桥电路，通过改变终极电压的正负极性和大小控制电机转速和方向。4、实现思路（1）、连接H桥电路，将电机的两个引脚分别连接到H桥电路的两个输出端，使用单片机的几个GPIO引脚控制H桥电路的输入位置。（2）、编写控制程序，编写单片机控制程序，通过需要改变电压的正负极和大小，以控制电机的转速和方向。例如，当需要控制电机向前转动时，应使输入1引脚为高电平，输入引脚为低电平，反转时则相反。（3）、选取合适的PWM波通过调整PWM信号占空比，即高电平占整个周期的时间比例，可以有效地改变电机的转速。占空比越大，电机转速越快，占空比越小，电机转速越慢。四、硬件设计图SEQ图\*ARABIC2硬件框图1、硬件模块组成（1）、单片机最小系统图SEQ图\*ARABIC3单片机最小系统（2）、按键模块图SEQ图\*ARABIC4按键模块（3）、数码管图SEQ图\*ARABIC5数码管（4）、H桥电路图SEQ图\*ARABIC6H桥电路（5）、L298电机驱动模块图SEQ图\*ARABIC7L298电机驱动模块（6）、单片机整个控制模块图SEQ图\*ARABIC8单片机整个控制模块原理为:直流电机PWM调速系统以AT89C52单片机为控制核心，由命令输入模块、LED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L298直流电机驱动芯片发送PWM波形,H型驱动电路完成电机正，反转和急停控制;同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示。2、AT89C52主要性能AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz～33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。3、L298电机驱动简介L298是SGS公司的产品，L298N为15个管角的单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用L298N来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V。L298N可直接对电机进行控制，无须隔离电路，可以驱动双电机。4、L298内部原理图图SEQ图\*ARABIC9L298内部原理图五、系统软件设计#include<reg52.h>sbitENA=P1^0;sbitMotor1=P2^0;sbitMotor2=P2^1;/*按键引脚定义*/sbitKEY1=P1^1;sbitKEY2=P1^2;sbitKEY3=P1^3;sbitKEY4=P1^4;/*位选引脚定义*/sbitLED1=P1^5;sbitLED2=P1^6;charflag=1;flag_set=0;unsignedcharNumTable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F};unsignedchardisbuff[2]={0,0};unsignedintCounter,Compare=30; voidDelay(unsignedchari){ while(i--);}voidCount(){ disbuff[0]=NumTable[Compare/10]; disbuff[1]=NumTable[Compare%10];}voidDisplay(){ LED1=0;LED2=1; P0=disbuff[0]; Delay(5); P0=0x00; LED1=1;LED2=0; P0=disbuff[1]; Delay(5); P0=0x00;}voidKEY(){ if(KEY1==0) { Delay(10); if(KEY1==0){ flag++; if(flag>=2){ flag=0; } }while(!KEY1); } if(KEY2==0) { Delay(10); if(KEY2==0){ flag_set++; if(flag_set>=2){ flag_set=0; } }while(!KEY2); } if(KEY3==0) { Delay(10); if(KEY3==0){ Compare=Compare+1; if(Compare>=100){ Compare=0; } }while(!KEY3); } if(KEY4==0) { Delay(10); if(KEY4==0){ Compare=Compare-1; if(Compare<=0){ Compare=100; } }while(!KEY4); }}voidTimer0_Init(void){ TMOD&=0xF0; //设置定时器模式 TMOD|=0x01; //设置定时器模式 TL0=0x9C; //设置定时初值 TH0=0xFF; //设置定时初值 TF0=0; //清除TF0标志 TR0=1; //定时器0开始计时 ET0=1; EA=1; PT0=0;}voidmain(){ Timer0_Init(); ENA=0; while(1) { KEY(); Count(); Display(); }}voidTimer0_Routine()interrupt1{ TL0=0x9C; TH0=0xFF; Counter++; Counter%=100; if(flag==0){ if(flag_set==0){ if(Counter<Compare) { ENA=1; Motor1=1; Motor2=0; } else { ENA=