基于單片機(jī)AT89S52的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)題目:直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)院：電氣與電子工程專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：100304組長(zhǎng)：徐鵬 20100883組員：徐洋 20100885 許佩東 20100886 于思雨 20100888 韓振帥指導(dǎo)教師：白文峰 2013年6月7日第一章:摘要1.1 摘要：直流電機(jī)的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，需要滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，

2、從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過(guò)PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間飄移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可獲很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)元件只需工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和

3、文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場(chǎng)合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動(dòng)門、自動(dòng)門鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場(chǎng)合。直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)電路模型如圖3.1所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈abcd。當(dāng)線圈中流過(guò)電流時(shí)，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過(guò)線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受方向也將改變，因此通過(guò)改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖3.1 直流電動(dòng)機(jī)電路模型直流電機(jī)PWM調(diào)

4、速原理（1）直流電機(jī)轉(zhuǎn)速直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可用圖3.2表示，由圖可見(jiàn)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動(dòng)勢(shì)；電磁轉(zhuǎn)矩T的正方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同，是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載轉(zhuǎn)矩T0均與n相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖3.2 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動(dòng)勢(shì)平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，是磁通量。由1.1式和1.2

5、式得n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到0V時(shí)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)；改變電樞電壓的極性，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。（2）PWM電機(jī)調(diào)速原理對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果加在電樞兩端的電壓脈動(dòng)電流壓（要求脈動(dòng)電壓的周期遠(yuǎn)小于電機(jī)的慣性常數(shù)），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發(fā)生變化。圖3.3為施加不同占空比時(shí)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖3.3 占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比D并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實(shí)線），原因是電樞

6、本身有電阻，不過(guò)一般直流電機(jī)的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機(jī)PWM調(diào)速原理。1.2本設(shè)計(jì)任務(wù):任務(wù): 單片機(jī)為控制核心的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù):功能主要包括：1) 直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)；2) 直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)；3) 直流電機(jī)的加速；4) 直流電機(jī)的減速；5) 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速在數(shù)碼管上顯示；6) 直流電機(jī)的啟動(dòng)；7) 直流電機(jī)的停止；第二章：總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案的硬件部分詳細(xì)框圖如圖一所示。數(shù)碼管顯示按鍵控制單片機(jī)PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)鍵盤向單片機(jī)輸入相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過(guò)P1.0與P1.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)

7、速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、光耦傳遞，驅(qū)動(dòng)H型橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的控制。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。電動(dòng)機(jī)所處速度級(jí)以速度檔級(jí)數(shù)顯示。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。每次電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后開(kāi)始顯示，停止時(shí)數(shù)碼管顯示出“0000”。 1、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與分析電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具體電路見(jiàn)下圖。本電路采用的是基于PWM原理的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路。PWM電路由復(fù)合體管組成H型橋式電路構(gòu)成，四部分晶體管以對(duì)角組合分為兩組：根據(jù)兩個(gè)輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導(dǎo)通和截止。4個(gè)二極管在

8、電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護(hù)作用，防止電動(dòng)機(jī)兩端的電流和晶體管上的電流過(guò)大的保護(hù)作用。 在實(shí)驗(yàn)中的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5v電源，因此若復(fù)合管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身壓降，加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，嚴(yán)重減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力?；谏鲜隹紤]，我們運(yùn)用了TLP521-2光耦集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開(kāi)來(lái)。輸入端各通過(guò)一個(gè)三極管增大光耦的驅(qū)動(dòng)電流；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過(guò)外接12V電源驅(qū)動(dòng)。這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)方面，我們采用了占空比可調(diào)的周期矩形信號(hào)控制。脈沖頻率對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有影

9、響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶帶負(fù)載能力差脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但加負(fù)載后，速度下降明顯，低速時(shí)甚至?xí)＾D(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯跳動(dòng)現(xiàn)象。而具體采用的頻率可根據(jù)個(gè)別電動(dòng)機(jī)性能在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。通過(guò)P10輸入高電平信號(hào)，P11輸入低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；通過(guò)P10輸入低電平信號(hào)，P11輸入高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；P10、P11同時(shí)為高電平或低電平時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)。通過(guò)對(duì)信號(hào)占空比的調(diào)整來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)編程部分工作采用KELI-C51語(yǔ)言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序做為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識(shí)別和功能、PW

10、M脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計(jì)。單片機(jī)資源分配如下表：P0顯示模塊接口鍵盤中斷P1鍵盤模塊接口P1.0/P1.1PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口系統(tǒng)時(shí)鐘PWM脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時(shí)方式對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制，延時(shí)程序函數(shù)如下：/*延時(shí)函數(shù)*/delays()uchar i;for(i=5000;i0;i-);鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時(shí)恒加或恒減速直到放開(kāi)停止，就需在判斷是否松開(kāi)該按鍵時(shí)，每進(jìn)行一次增加/減少一定的占空比。顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8位，分別存放各個(gè)數(shù)碼管要顯示的值。定時(shí)中斷處理程序

11、：采用定時(shí)方式1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12M晶振，可產(chǎn)生最高約為65.5ms的延時(shí)。對(duì)定時(shí)器置初值B1E0H可定時(shí)20ms，即系統(tǒng)時(shí)鐘精度可達(dá)0.02s。當(dāng)20ms定時(shí)時(shí)間到，定時(shí)器溢出則響應(yīng)該定時(shí)中斷處理程序，完成對(duì)定時(shí)器的再次賦值，并對(duì)全局變量time加1，這樣，通過(guò)變量time可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。3、軟件設(shè)計(jì)中的特點(diǎn):對(duì)于電機(jī)的啟停，在PWM控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開(kāi)啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)。鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。第三章：系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)整體框圖如下：第四章：系統(tǒng)功能調(diào)試仿真整體圖如下：

12、直流電機(jī)的調(diào)試功能仿真如下圖：1、正轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“三”,其它三位先所給定頻率，如下圖：2、反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，數(shù)碼管最高位顯示“F”,其它三位先所給定頻率，第五章：程序見(jiàn)附件1見(jiàn)附件2第六章：元件清單見(jiàn)附件3第七章：心得體會(huì)略附件1/*基于單片機(jī)AT89C51的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)*/#include #include #include /* / /*自定義變量*/#define uint unsigned int /自定義變量#define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw;uchar j; /定時(shí)次數(shù)，每次20msuchar

13、f=5; /計(jì)數(shù)的次數(shù)sbit P10=P10; /PWM輸出波形1sbit P11=P11; /PWM輸出波形2sbit P12=P12; /正反轉(zhuǎn)sbit P13=P13; /加速sbit P14=P14; /減速sbit P15=P15; /停止sbit P16=P16; /啟動(dòng)uchar k;uchar t; /脈沖加減/*/*/*控制位定義*/uchar code smg12=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71;/程序存儲(chǔ)區(qū)定義字型碼表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x0

14、1; /位碼uint x; /數(shù)碼管顯示的數(shù)值display(); /數(shù)碼管顯示 delays(); /延時(shí)函數(shù)key();displays();/*/*主函數(shù)*/main (void) TMOD=0x51; /T0方式1 定時(shí)計(jì)數(shù)T1方式1計(jì)數(shù)TH0=0xb1; /裝入初值 20MSTL0=0xe0;TH1=0x00; / 計(jì)數(shù)567TL1=0x00;TR0=1; /啟動(dòng) t0TR1=1; /啟動(dòng)t1gw=sw=bw=qw=0; /數(shù)碼管初始化P0=0xc0;P2=1;while(1) /無(wú)限循環(huán) display(); /數(shù)碼管顯示 key(); /*/*數(shù)碼管顯示*/display()uc

15、har i; gw=x%10; /求速度個(gè)位值，送到個(gè)位顯示緩沖區(qū)sw=(x/10)%10; /求速度十位值，送到十位顯示緩沖區(qū)bw=(x/100)%10; /求速度百位值，送到百位顯示緩沖區(qū)qw=x/1000; /求速度千位值，送到千位顯示緩沖區(qū)for(i=0;i0;i-);/*/*t0定時(shí)*中斷函數(shù)*/void t0() interrupt 1 using 2TH0=0xb1; /重裝t0TL0=0xe0;f-;if(k=0) if(ft) P10=1; else P10=0; P11=0; else if(f=5)t=5;if(P14=0) /減速while(P14=0);t-;if(t1)t=1;if(P15=0) /停止while(P15=0);EA=0;P10=0;P11=0; /*/附件2：元件數(shù)量（個(gè)）元件數(shù)量（個(gè)）光電耦合器：TLP521-21三極管85504按鍵5三極管80505自鎖按鍵11N40074At89s521四位一體數(shù)碼管112M晶振1電容1041Led1直流電機(jī)1電阻1K3電容22P2電阻10K1電解電容47P/16V274LS041下載口1 參考文獻(xiàn) 1 王兆安等.電力電子技術(shù)M. 北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000年.2 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真M.北京.中