毕业设计数字式直流电机控速系统设计正文Word文档格式.docx
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但除此之外,最常见的一种PWM脉宽调制,调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压,控制转速。
PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展,到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。
[1]
1.2目的和意义
直流电动机在制动性能,在平滑调速等方面都有良好的效果,在许多需要调速或快速正反向的制动领域中都有着广泛的应用。
从控制的角度来看,直流调速依然是建立在交流拖动系统的基础上。
早期直流电动机的控制多以模拟电路为基础,采用运放、非线性集成电路及一定的数字电路混合构成,控制系统的硬件部分往往很复杂,而且在功能,系统灵活性、调试等方面还十分不理想,这些限制了直流电机控制技术的发展以及应用。
但随着单片机在控制方面的崭露头角,使得大量的控制功能及算法可以通过软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了相当大的灵活性,并使系统的各方面性能都有显著的提高。
并且由单片机构成的控制系统有效的节约了人力资源和系统成本,进而提高了工作的效率。
传统的控制系统采用的模拟元件,虽在一定程度上可以满足生产要求,但是因为元件的老化和外界干扰的影响,以及线路复杂、通用性差,控制效果易受到元件性能,天气,温度等方面因素的影响,所以系统的可靠性方面十分的不理想,甚至事故频出。
现在,直流电机控速系统的数字化已经日趋成熟,伴随着电子技术的高速发展,直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个崭新的阶段,智能化、高可靠性已不可避免的成为了它发展的新趋势。
1.3研究方法
本文主要利用AT89C52系列单片机的灵活工作特点,通过脉冲调速方式控制电机的转动。
PWM控制技术因其简单、灵活和稳定的优点而在控制领域得到了广泛的应用,同时也是人们研究的热点。
由于科学技术的飞速发展已经开始模糊了学科之间的界限,现代控制理论思想很可能会成为PWM控制技术发展的主流方向。
本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。
文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号发生系统,然后通过一定处理来驱动电机。
利用光栅测速测得电机转动情况,把光电信号输入给转换芯片最后又反馈给单片机,在对信号的处理完成之后,输出相应的控制量,实现电机的调速控制。
1.4本章小节
本章先分析了直流电机在现代化生产中不可或缺的位置,在日常生活中扮演的重要角色,比较详细的阐述了其在各个方面的应用。
又分析了直流电机控速在现代化大生产中的重要作用。
在之前的时代,由于缺少数字技术的支持该系统可以说是遍布漏洞,在系统可靠性,系统调试,系统设计维护,通用性等等方面都相当的不成熟。
极大地限制了直流电机控速系统的广泛应用,但随着当前电子技术的飞速发展,特别是单片机以及嵌入式技术的广泛应用,该项技术一下就达到了一个崭新的高度,并且想着智能化,多功能化等方向发展。
第2章总体电路设计
单片机直流电机调速简介:
单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。
脉冲调速是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,达到控制要求的一种调速方法。
在该系统中,按一个固定的频率来打开和关闭电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机的电源电压的“占空比”来改变电机的转动大小,从而控制电机的转速。
因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
本系统以AT89C52单片机为核心,通过单片机的控制,采用C语言编程实现对直流电机的速度检测以及转动调速。
[2]
系统控制方案的分析:
本直流电机调速系统以单片机系统为依托,根据PWM调速的基本原理,以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为依据,实现对直流电动机的平滑调速,并通过单片机控制速度的变化。
本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。
硬件部分是前提,是整个系统执行的基础,它主要为软件提供程序运行的平台。
而软件部分,是对硬件端口所体现的信号,加以采集、分析、处理,最终实现控制器所要实现的各项功能,达到控制器自动对电机速度的有效控制。
[5]
2.1系统工作原理简介
本系统通过检测光栅的方式来检测电机的转动情况,再经过AT89C52型单片机进行信号处理以及误差矫正,得到电机的实际运动情况,在输出相应的控制信号,并且经由H型电桥形成可用的电机控制信号,控制直流电机开始转动,并且实时监控其转动情况,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。
一般来说,电机的工作状态是不会简单的与工作电压成线性关系,而且在带动负载的情况下事情将会变得更加复杂,但是情况却可以因为我们的智能程序而有相当大的改善(假设电机确实能够带动负载的情况下),在智能系统的实时监控之下,如果电机的转速达不到希望的等级,系统是不会死守最初的规则,其会根据情况适当的调节占空比T的输出,假设转速达不到要求系统会逐级加大占空比T,直到达到要求或者电机负载上限。
而在转速超过要求时系统又会逐级减小占空比,直到达到要求或占空比为零,甚至输出反向转动信号,而完成对电机制动。
这样,我们终于可以将其近似地看成是线性关系。
(具体电路实现见附录)
2.2系统框图
本文系统主要由六个独立部件组成,包括显示模块,单片机,逻辑上位机,光电开关,电机驱动以及直流电机。
其各个模块的功能如下:
显示模块:
功能主要是用来显示数据,方便系统与用户进行直观的交互,但有上位机存在的情况下,也可以去掉该部分,用户与系统的交互可以交由上位机来实现。
逻辑上位机:
在工作状态下系统是默认存在上位机的,当在串行接口接收到有效命令时,即开始执行相应的指令,完成要求后,再将结果反馈到上位机。
单片机:
完成系统控制的核心模块,本文系统在该元件的支持下完成其功能。
光电开关:
安装在需要测量转速的地方,每当电机转动一次则产生一个脉冲信号,该信号在经过相应的处理之后,再发送到单片机进行检测。
电机驱动:
一般情况下,单片机的驱动能力是不足以负载一个直流电机,所以需要经过该模块才能完成对电机的控制。
电机:
系统的控制目标。
系统逻辑结构如图2-1所示。
图2-1系统总体设计图
2.3本章小结
本章简单的介绍了本文系统的工作原理以及系统的设计思路,将系统的实现逻辑上分成了六个部分,包括显示模块,单片机,逻辑上位机,光电开关,电机驱动以及直流电机,并简要介绍了每个模块的功能。
第三章电路设计
3.1PWM信号发生电路
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
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最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
3.1.1PWM的基本原理
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面,比如:
电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转速。
也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图3-1所示:
图3-1PWM方波
当电机始终接通电源时,电机转速的最大值为Vmax,设占空比为T=H/(H+L),则电机的平均速度为Vaverge=Vmax*H/(H+L)=Vmax*T,其中Va指的是电机的平均速度;
Vmax是指电机在全通电时的最大速度;
T是指占空比。
由上面的公式我们可以预见,当改变占空比T=H/(H+L)时,就可以得到不同的电机平均速度Vaverge,从而达到控制转动速度的目标。
一般来说,平均速度Vaverge与占空比T并非严格的线性关系,而且在带动负载的情况下事情将会更加复杂,但是情况却可以因为我们的智能程序而有相当大的改善(假设电机确实能够带动负载的情况下),在智能系统的实时监控之下,如果电机的转速达不到希望的等级,系统是不会死守最初的规则,其会根据情况适当的调节占空比T的输出,如果转速达不到要求系统会逐级加大占空比T,直到达到要求或者电机负载上限。
而在转速超过要求时系统又会逐级减小占空比,直到达到要求或占空比为零。
3.1.2PWM的实现
图3-2PWM软件实现逻辑框图
脉冲发生器主要由单片机内部的计时器0实现,精确度达到了毫秒级,主要有软件方式来实现占空比的控制。
计时器0被设置成计时模式,每隔1毫秒其会产生一个中断信号,系统再根据需要来判断这1毫秒是否属于工作区间,如果属于则输出工作信号,若不属于则输出停止工作信号。
其具体实现流程如图3-2所示:
3.1.3硬件实现
在硬件电路中,PWM由AT89C52的内部计时器进行计时,通过引脚P1.6和P1.7产生控制激励源,具体电路如图3-3所示:
图3-3PWM信号发生电路
3.2主控电路
3.2.1.芯片的组成原理
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。
其基本组成如图3-4所示:
图3-4基本结构图
3.2.2.CPU及部件的作用功能
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:
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:
AT89C52芯片内部共有8K个单元,用于存储程序、原始数据或表格,简称内部ROM。
定时器:
片内有3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:
该芯片拥有比较丰富的中断源,共有5个,其中外部中断2个,定时/计数中断2个和串行中断1个。
其引脚图如图3-5所示:
图3-5AT89C52单片机引脚图
3.2.3引脚功能
P0.7---P0.0:
这8个引脚共有两种不同的功能,分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是不带片外存储器,P0口可以作为通用I/O口使用,P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。
第二种情况是AT89C52带片外存储器,P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P2.7---P2.0:
这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合,用于输出片外存储器的高8位地址,共同选中片外存储器单元,但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。
P3.7---P3.0:
这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。
它的第二功能作为控制用,每个引脚不尽相同。
VCC为+5V电源线,VSS为接地线。
ALE/
:
地址锁存允许/编程线,配合P0口引脚的第二功能使用,在访问片外存储器时,8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/
线上输出一个高电位脉冲,其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器,以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。
/VPP:
允许访问片外存储器/编程电源线,可以控制AT89C52使用片内ROM还是片外ROM。
如果
=1,那么允许使用片内ROM;
=0,那么允许使用片外ROM。
XTAL1和XTAL2:
片内振荡电路输入线,这两个端子用来外接石英晶体和微调电容,即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。
石英晶振起振后,应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波,以便于AT89C52片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡,电容C1、C2可以帮助起振,调节它们可以达到微调fOSC的目的。
3.2.4硬件实现
根据上文所述设计思路,主控电路如图3-6所示:
图3-6主控电路
3.3显示模块
3.3.1工作原理
显示模块由2个八位地址锁存器以及一个四位七段数码管组成。
数码管采用动态刷新的方式显示数据,两个八位锁存器分别完成段控制与位控制的作用。
总体结构如图3-7所示:
图3-7显示模块工作原理
动态刷新方式显示数据的工作流程如下
1)打开显示模块
2)收到显示器刷新请求。
2)由处理器清空锁存器数据,并锁定为空信号,关闭数码管显示。
3)输出位信号,控制位锁存器接收信号并锁定。
4)输出段信号,控制段锁存器接收信号并锁定。
5)结束刷新,并等待下一个刷新信号的到来,再次从第二步开始循环。
程序见附录的display函数。
3.3.2元件—地址锁存器
地址锁存器可以选择多种,有地址锁存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等,8282是地址锁存器,功能与74LS373类似,但本系统选用74LS373作为地址锁存器,考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比,安全性等方面优秀的性能,成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。
74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。
当使能端呈高电平时,锁存器中的内容可以更新,而在返回低电平的瞬间实现锁存。
如果此时芯片的输出控制端为低,也即是输出三态门打开,锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。
其引脚图如图3-8所示:
图3-874L373引脚图
3.3.3硬件实现
根据上文所述设计思路,实际电路图设计如图3-9所示:
图3-9显示电路
3.4串行通信模块
3.4.1模块工作原理
当前,实践证明联机工作是非常有用的,无论是从实际情况还是个人理解,如果能让该控速系统与外界其他系统进行通信,对其功能的完善都是很有好处的。
本文所建立的系统一直是以可组装部件的原则来设计,在系统中充分考虑了现代化大生产对系统模块化的要求,加入了和其他系统通信的功能。
在与其他系统的交互中,本系统可以上传数据以及接受指令。
试想如果我们想要构建一个大的智能控制系统,只需要将本文系统与中央控制系统用一个串口线进行连接,甚至无需改动其他元件,就完成了新系统的构建,由中央系统对多个子系统进行协调控制,更新子系统数据,在必要的时候甚至可以直接绕过子系统接管其对元件的控制权。
故给予本系统一个串口通信模块是十分必要的。
由于微机系统的串口工作电平与单片机的串口输出电平存在很大区别,为了实现这两种不同系统间的通信,所以加入了一个电平转换元件MAX232作为中转模块。
其总电路图如图3-10所示:
图3-10串行接口逻辑图
3.4.2元件-MAX232
MAX232芯片是美信(MAXIM)公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
其逻辑结构图如图3-11所示:
图3-11MAX232引脚图
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。
8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从11引脚(T1IN)、10引脚(T2IN)输入转换成RS-232数据从14脚(T1OUT)、7脚(T2OUT)送到电脑DB9插头;
DB9插头的RS-232数据从13引脚(R1IN)、8引脚(R2IN)输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚
(R1OUT)、9引脚(R2OUT)输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC(+5v)。
电容器应选择1μF的电解电容。
在使用过程中本人曾用过10μF的代替。
注意,由于RS232电平较高,在接通时产生的瞬时电涌非常高,很有可能击毁max232,所以在使用中应尽量避免热插拔。
3.4.3单片机串口通信简介
AT89C52单片机内部有一个全双工串行接口。
什么叫全双工串口呢?
一般来说,只能接受或只能发送的称为单工串行;
既可接收又可发送,但不能同时进行的称为半双工;
能同时接收和发送的串行口称为全双工串行口。
串行通信是指数据一位一位地按顺序传送的通信方式,其突出优点是只需一根传输线,可大大降低硬件成本,适合远距离通信。
其缺点是传输速度较低。
与之前一样,首先我们来了解单片机串口相关的寄存器。
SBUF寄存器:
它是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器,可同时发送、接收数据,可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。
从而控制外部两条独立的收发信号线RXD(P3.0)、TXD(P3.1),同时发送、接收数据,实现全双工。
串行口控制寄存器SCON(见表3-1)。
表3-1SCON寄存器
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
表中各位(从左至右为从高位到低位)含义如下。
SM0和SM1:
串行口工作方式控制位,其定义如表3-2所示。
表3-2串行口工作方式控制位
工作方式
功能
波特率
方式0
同步移位寄存器输出方式
f/12
1
方式1
10位异步通信方式
可变,取决于定时器1溢出率
方式2
11位异步通信方式
f/32或f/64
方式3
其中,fOSC为单片机的时钟频率;
波特率指串行口每秒钟发送(或接收)的位数。
SM2:
多机通信控制位。
该仅用于方式2和方式3的多机通信。
其中发送机SM2=1(需要程序控制设置)。
接收机的串行口工作于方式2或3,SM2=1时,只有当接收到第9位数据(RB8)为1时,才把接收到的前8位数据送入SBUF,且置位RI发出中断申请引发串行接收中断,否则会将接受到的数据放弃。
当SM2=0时,就不管第位数据是0还是1,都将数据送入SBUF,并置位RI发出中断申请。
工作于方式0时,SM2必须为0。
REN:
串行接收允许位:
REN=0时,禁止接收;
REN=1时,允许接收。
TB8:
在方式2、3中,TB8是发送机要发送的第9位数据。
在多机通信中它代表传输的地址或数据,TB8=0为数据,TB8=1时为地址。
RB8:
在方式2、3中,RB8是接收机接收到的第9位数据,该数据正好来自发送机的TB8,从而识别接收到的数据特征。
TI:
串行口发送中断请求标志。
当CPU发送完一串行数据后,此时SBUF寄存器为空,硬件使TI置1,请求中断。
CPU响应中断后,由软件对TI清零。
RI:
串行口接收中断请求标志。
当串行口接收完一帧串行数据时,此时SBUF寄存器为满,硬件使RI置1,请求中断。
CPU响应中断后,用软件对RI清零。
电源控制寄存器PCON(见表3-3)。
表3-3PCON寄存器
SMOD
GF1
GF0
PD
IDL
表中各位(从左至右为从高位到低位)含义如下。
SMOD:
波特率加倍位。
SMOD=1,当串行口工作于方式1、2、3时,波特率加倍。
SMOD=0,波特率不变。
GF1、GF0:
通用标志位。
PD(PCON.1):
掉电方式位。
当PD=1时,进入掉电方式。
IDL(PCON.0):
待机方式位。
当IDL=1时,进入待机方式。
另外与串行口相关的寄存器有前面文章叙述的定时
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