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摘要
随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。
以达到高速、优质、高效率地生产。
在大多数综合自动化系统中,自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。
另外,低成本自动化技术与设备的开发,越来越引起国内外的注意。
特别对于小型企业,应用适用技术的设备,不仅有益于获得经济效益,而且能提高生产率、可靠性与柔性,还有易于应用的优点。
自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。
本文主要研究了利用80c-52系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。
系统以廉价的STC89C52单片机为控制核心,以直流电机为控制对象,电机的转速可通过按键进行调整。
此外,本文中还采用了芯片LM317t作为电压源的稳压装置,从而达到过压保护,发热等状况。
同时,本文采用光耦对直流单机与单片机隔离,保证单片机与直流电机的电压等级差。
另外,本系统中使用了霍尔传感器对直流电机的转速进行测量,并由单片机的计数器对单位时间内的脉冲数量进行计数,从而实现了对直流电机速度的测量。
在软件方面,文章中详细介绍了PWM占空比调节程序,数码管显示程序经及按键描述程序等的编写思路和具体的程序实现。
利用单片机作为控制核心设计直流电机的调速系统,解决以往复杂的模拟电路设计问题,增加对直流电机速度的可控性,提高调速系统的精度,且成本低廉,具有很好的使用价值。
关键词:
直流电机;
PWM调速;
霍尔测速;
H桥驱动
Ⅰ
Abstract
Alongwiththedevelopmentofmodernpowerelectronicstechnologyandcomputertechnologyandtheapplicationofmoderncontroltheory,automaticelectricdriveismovingtowardsthedirectionofcomputercontrolproductionprocessautomation.Inordertoachievehighspeed,highquality,highefficiencyproduction.Inmostoftheintegratedautomationsystem,theautomationoftheelectricdrivesystemisstillanindispensablepartof.Inaddition,lowcostautomationtechnologyandequipmentdevelopment,moreandmoreattentionathomeandabroad.Especiallyforsmallenterprises,theapplicationofapplicabletechnologyequipment,notonlybeneficialtoobtaineconomicbenefits,butalsotoimproveproductivity,reliabilityandflexibility,asthereareadvantagesofeasytoapply.Automationofelectricdrivesystemisanimportantpartoflowcostautomationsystem.
Thispapermainlystudiesthemethodofusing80c-52SeriesMCUtocontrolthePWMsignaltorealizethecontrolofDCmotorspeed.ThesystemtakestheSTC89C52singlechipmicrocomputerasthecontrolcore,andtheDCmotorasthecontrolobject,andthespeedofthemotorcanbeadjustedbythebutton.Inaddition,thispaperalsousesthechipLM317tasthevoltagesourcevoltageregulatordevice,soastoachieveovervoltageprotection,heatingandotherconditions.Intermsofsoftware,thearticledetailsthePWMdutycyclecontrolprocedures,digitaldisplayproceduresandkeyprocedures,suchasthepreparationofthepreparationoftheprogramandthespecificimplementationoftheprogram.Theuseofsingle-chipmicrocomputerascontrolcoredesignofDCmotorspeedcontrolsystem,tosolvethecomplexityofthepreviousanalogcircuitdesignproblemsandincreasethecontrollabilityofDCmotorspeed,improvetheprecisionofspeedcontrolsystem,andthecostislow,hastheverygoodusevalue.
Keywords:
DCmotor;
PWMspeedregulation;
HallSpeedMeasurement;
Hbridge
Ⅱ
第1章绪论
在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成为主流。
其应用领域极为广泛,例如:
军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制;
工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制;
计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制;
音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。
1.1选题背景与意义
在现代电子产品中,自动控制系统,电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面,直流电机都得到了广泛的应用。
大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机、工业设备等,都不能缺少直流电机。
所以直流电机的控制是一门很实用的技术。
直流电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转矩大,最大转矩大,能在宽广的范围内平滑、经济地调速,转速控制容易,调速后效率很高。
与交流调速相比,直流电机结构简单,生产成本低,维护工作量小。
随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟,使得矢量控制变频技术获得迅猛发展,从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置,并在工业上得到广泛应用。
适用范围:
直流调速器在数控机床、造纸印刷、包装机械、印制电路板设备、医疗设备、通讯设备、雷达设备、等行业广泛应用。
高性能的交流传动应用比重逐年上升,在工业部门中,用可调速直流传动取代交流传动将成为历史的必然。
尽管如此,我认为设计一个直流电机调速系统,不论是从学习还是实践的角度,对一名工业电气自动化专业的大学生都会产生积极地作用。
1.2国内外发展状况
电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大,它们是密切相关、相互促进的。
近30年来,电力电子技术的迅猛发展,带动和改变着电机控制的面貌和应用。
驱动电动机的控制方案有三种:
工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制,在单向通用电动机的电子驱动电路中,主要的器件是晶闸管,后来是用相位控制的双向可控硅。
在这以后,这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。
到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。
利用这种有自关断能力的器件,取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路,简化了电路结构,提高了效率,提高了工作频率,降低了噪声,也缩小了电力电子装置的体积和重量。
后来,谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替,明显地扩大了电机控制的调运范围,提高了调速精度,改善了快速性、效率和功率因数。
直流电机脉冲宽度调制(Pulse
Width
Modulation-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。
最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等
。
近十多年来,由于晶体管器件水平的提高及电路
技术的发展,同时又因出现了宽调速永磁直流电机,它们之间的结合促使PWM技术的高速发展,并使电气驱动技术推进到一个新的高度。
在国外,PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。
它以优越的性能,满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。
近八、九年来,进一步扩散到民用工业,特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。
如今,电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显,促进电机控制技术以更快的速度发展着。
随着市场的发展,客户对电机驱动控制要求越来越高,希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂,而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程,同时还要求马达恒速向变速发展,还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。
进入21世纪后,可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现,已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。
1.3本文主要工作
本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。
系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。
PWM调制部分是在单片机开发平台之上,运用汇编语言编程控制。
由定时器来产生宽度可调的矩形波。
通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,以达到调节电机速度的目的。
增加了系统的灵活性和精确性,使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。
本设计以80C52单片机为核心,以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向,完成了基本要求和发挥部分的要求。
在设计中,采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制(PWM)控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构,根据模型,利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真,确保设计的电路能够满足性能指标要求,并给出了仿真结果。
第2章理论分析
2.1直流电机的工作原理
直流电动机,多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
图2-1为直流电机的物理模型图,其中,固定部分(定子)由磁铁(称为主磁极)和电刷组成;
转动部分(转子)由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成,定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。
图2.1直流电机的物理模型图
直流电动机的工作原理如图2-2所示。
给两个电刷加上直流电源,如图2-2(a)所示,有直流电流从电刷A流入,经过线圈abcd,从电刷B流出,根据电磁力定律,载流导体ab和cd收到电磁力的作用,其方向可由左手定则判定,两段导体受到的力形成了一个转矩,使得转子逆时针转动;
如果转子转到图2-2(b)所示的位置,电刷A和换向片2接触,电刷B和换向片1接触,直流电流从电刷A流入,在线圈中的流动方向是dcba,从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由线圈边ab和cd流入,使线圈边只要处于N极下,其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向,而在S极下时,总是从电刷B流出的方向,这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向,这样的结构,就可使电动机连续旋转。
图2-2直流电机原理图
2.2直流电机的调速方法
根据直流电机的基本原理,由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知,直流电动机的调速方法有三种:
(1)调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。
(2)改变电动机主磁通
改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。
(3)改变电枢回路电阻R。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。
但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;
空载时几乎没什么调速作用;
还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。
因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通,都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种:
(1)旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。
(2)静止可控整流器(简称V-M系统)。
用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。
(3)直流斩波器(脉宽调制变换器)。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压,从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变,所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后,因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数,半波、全波、半控、全控等类型,可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高,维护运行麻烦。
最后,当系统处于低速运行时,系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
图2-3 晶闸管-电动机调速系统原理框图(V-M系统)
直流斩波器又称直流调压器,是利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上,通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源,亦称直流-直流变换器。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点,现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2-4为直流斩波器的原理电路和输出电压波型,图中VT代表开关器件。
当开关VT接通时,电源电压U。
加到电动机上;
当VT断开时,直流电源与电动机断开,电动机电枢端电压为零。
如此反复,得电枢端电压波形如图2-4(b)所示。
图2-4直流斩波器原理电路及输出电压波型
(a)原理图 (b)电压波型
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是,在这里晶闸管不受相位控制,而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上,当晶闸管关断时,直流电源与电动机断开,电动机经二极管续流,两端电压接近于零。
脉冲宽度调制(PulseWidthModulation),简称PWM。
脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比,PWM调速系统有下列优点:
(1)由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流,电枢电流容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽,可达1:
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好,在相同的平均电流下,电动机的损耗和发热都比较小。
(2)同样由于开关频率高,若与快速响应的电机相配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗扰能力强。
(3)由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器,简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现,但是驱动能力有限。
目前,受到器件容量的限制,PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。
2.3H桥电机驱动描述
采用PWM进行直流电机调速,其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端,因此有必要对电机驱动电路进行介绍。
图2-5H桥式电机驱动电路
上图所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(上图及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图)。
电路中,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图2-6H桥式驱动电机顺时针转动
如上图所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
图2-7H桥式驱动电机逆时针转动
驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制),甚至烧坏三极管。
第3章系统硬件电路设计
硬件电路设计框图如下图所示,硬件电路结构初步设想由以下6部分组成:
电机驱动电路、电机、速度采集电路、单片机、显示器、键盘。
驱动电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。
控制部分采用汇编语言编程控制,80C52芯片的定时器产生PWM脉冲波形,通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,便能够实现对电机速度的控制。
根据硬件系统电路设计框图,对各部分模块的原理进行分析,编写个子模块程序,最终将其组合。
图3-1硬件系统电路设计框图
3.180C52单片机
80C52是美国Atmel公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8k
bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),80C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线。
主要功能特性:
(1)兼容MCS51指令系统。
(2)8k可反复擦写(>
1000次)Flash
ROM,32个双向I/O口,256x8bit内部RAM,时钟频率0-24MHz,可编程UART串行通道。
(3)3个16位可编程定时/计数器中断,2个串行中断,2个外部中断源,共6个中断源,2个读写中断口线。
其引脚排列图如下图3-2:
图3-280C52引脚图
引脚功能如下:
(1)VCC:
电源电压
(2)GND:
地
(3)P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
(4)P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
(5)P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVXRI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
(6)3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上位电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
(7)RST:
复位输入
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。
(8)ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
(9)EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFF
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