基于PWM的直流电动机运动控制设计

PAGEPAGE27课程设计报告（2022-2023学年第一学期）课程：运动控制系统实践题目：基于PWM的直流电动机运动控制设计专业班级：机器人202

目录29715一、引言 169391、研究方法及调速原理 2268492、直流调速系统实现方式 373333、控制程序的设计 414594二、系统硬件电路的设计 4205081、系统总体设计框图及单片机系统的设计 4196322、STC89C51单片机简介 4158652.1.STC89C51单片机的组成 5284132.2.CPU及部分部件的作用和功能 524455三、PWM信号发生电路设计 532301、PWM的基本原理 6114962、系统的硬件电路设计与分析 6108233、H桥的驱动电路设计方案 722687四、主电路设计 8221871、液晶电路 830692.1.LCD1602性能参数 9157632.2.LCD1602的显示与控制命令 11216022、按键电路 1227826五、调试与存在的问题 14120911、硬件调试 1482262、软件调试 1421273总结 16引言研究方法及调速原理直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式：n=U/Cc-T/CrCc（公式1-1）其中：U—电压；—励磁绕组电阻；—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分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。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即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。在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是利用一个固定的频率来控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。图1-2脉冲信号及其波形图根据上图，当电动机始终接通电源时，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，从而实现调速。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调速系统中占空比是一个重要参数，电源电压不变时，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值：定宽调频法：保持不变，只改变t，使周期也随之改变。调宽调频法：保持t不变，只改变，使周期或频率也随之改变。定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。（1）、（2）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，因而不合适，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。控制程序的设计软件采用定时中断进行设计。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。系统硬件电路的设计系统总体设计框图及单片机系统的设计本系统采用STC89C51控制输出数据，由单片机IO口产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机，进行转速显示，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。图2-1系统总体设计图主控芯片主控芯片STC89C51单片机简介STC89C51单片机的组成STC89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示：图2-2单片机的组成CPU及部分部件的作用和功能中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：STC89C51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。内部程序存储器：STC89C51芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。定时器：STC89C51片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。PWM信号发生电路设计PWM的基本原理调速采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。系统的硬件电路设计与分析电动机PWM驱动模块的电路采用H桥驱动，设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM原理的驱动电路。图3-1PWM电路PWM电路由复合体管组成，两个输入端高低电平控制晶体管是否导通或截止。NPN的三极管高电平输入时导通，PNP的三极管低电平输入时导通，当Q1和Q2都导通时，Q3和Q6截止，Q4和Q5导通，电机两端都是GND，电机是不转的，当Q1和Q2都截止时，Q3和Q6导通，Q4和Q5截止，电机两端都是VCC，电机也是不转的，那么，当Q1导通，Q2截止时，Q4和Q6导通，电机右边是电源，左边是地，电机逆时针转动，此时保持Q2截止，PWM控制Q1的导通截止，就可以控制电机的速度，同理，当Q1截止，Q2导通时，Q3和Q5导通，电机的左边是电源，右边是地，电机顺时针转动，此时保持Q1截止，PWM控制Q2的导通截止就可以控制电机的转速。4个二极管在电路中的作用是防止晶体管产生不当反向电压，以及电机两端电流和晶体管上的电流过大保护。H桥的驱动电路设计方案H桥式电动机驱动电路包括4个三极管和一个电机，因为它的形状与字母H相似，故因此而得名。如下图所示，要使电动机成功运转，须对对角线上的一对三极管通电。据不同的三极管对的导通通电的情况，电流会从右至左或相反方向流过电机，从而改变电机的转动方向。图3-2H桥式驱动电路因此要想使电动机运转，必须使对角线上两个三极管通电。例如，当Q2管与Q3管导通时，电流从电源正极经Q2从左到右通过电机，再经Q3到电源的负极。同样Q1与Q4亦是如此，由电流箭头可看，驱动电动机将顺时针转动。图3-3电动机运转主电路设计液晶电路液晶部分的电路图如下图所示：图4-1液晶部分电路图在本课程设计中，波形的显示是采用简单的液晶LCD1602显示屏。LCD（LiquidCrystalDisplay）是液晶显示器英文名称的缩写，液晶显示器是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点。LCD1602性能参数LCD1602的主要技术参数及应用配置如表4-1所示。显示容量：16×2个字符芯片工作电压：4.5～5.5V工作电流：2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压：5.0V字符尺寸：2.95×4.35（WXH）mm表4-1芯片的主要技术参数及应用配置LCD1602共有16个引脚，各引脚功能如表4-2所示。详细说明如下：（1）VSS：电源地；（2）VDD：电源正极；（3）VL：液晶显示偏压信号，对比度调整端，接地时最高，接正电源最低，可接10K，电位器调整；（4）RS：寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器；（5）R/W：读/写选择端，高电平读操作，低电平写操作；（6）E使能信号，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；（7）BLA背光源正极；BLK背光源负极；（8）D0～D7数据端口。编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端（H/L）5R/W读/写选择端（H/L）6E使能信号7D0DataI/O8D1DataI/O9D2DataI/O10D3DataI/O11D4DataI/O12D5DataI/O13D6DataI/O14D7DataI/O15BLA背光源正16BLK背光源负表4-2LCD1602管脚功能及说明LCD1602的主要技术参数如表4-3所示。指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口表4-3LCD1602A主要技术参数LCD1602显示模式如表4-4所示。指令码功能00001DCBD=1开显示D=0关显示C=1显示光标C=0不显示光标B=1光标闪烁B=0光标不闪烁000001NSN=1当读/写一个字符后，地址指针加1，且光标加1；N=0当读/写一个字符后，地址指针减1，且光标减1；S=1当写一个字符，整屏显示左移(N=1)或者右移(N=0),以得到光标不移动而整屏移动的效果；S=0当写一个字符，整屏显示不移动。表4-4LCD1602显示模式LCD1602的显示与控制命令LCD1602液晶模块内部的字符发生内存（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置；指令2：光标复位，光标返回到地址00H；指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效；指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有游标，低电平表示无游标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁；指令5：光标或显示移位元S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标；指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：低电平时显示5×7的点阵字符，高电平时显示5×10的点阵字符；指令7：字符发生器RAM地址设置；指令8：DDRAM地址设置；指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙；指令10：写数据；指令11：读数据。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。按键电路本设计采用按键接低的方式来读取按键，单片机初始时，因为为高电平，当按键按下的时候，会给单片机一个低电平，单片机对信号进行处理单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：独立键盘每一个I/O口上只接一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的I/O少。根据本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。独立式键盘的实现方法是利用单片机I/O口读取口的电平高低来判断是否有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个I/O口，程序开始时将此I/O口置于高电平，平时无键按下时I/O口保护高电平。当有键按下时，此I/O口与地短路迫使I/O口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使I/O口仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此I/O口的电平状态就可以了解我们是否有按键动作了。在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般10~200毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟是微秒的单片机而言则是慢长的。硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之处理，软件去抖动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对其处理。所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时立即延时10~200毫秒以避开抖动（经典值为20毫秒），延时结束后再读一次I/O口的值，这一次的值如果为1表示低电平的时间不到10~200毫秒，视为干扰信号。当读出的值是0时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。图4-2按键部分电路调试与存在的问题硬件调试常见故障：逻辑错误：它是由设计错误或加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括错线、开路、短路等。元器件失效：有两方面的原因：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是组装错误造成元件失效，如电解电容、集成电路安装方向错误等。可靠性差：因其可靠性差