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毕业设计论文杜明骏
成都信息工程学院
学位论文
基于PWM的小功率直流电机调速系统设计
论文作者姓名:
杜明骏
申请学位专业:
电气工程及其自动化
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
论文提交日期:
基于PWM的小功率直流电机调速系统设计
摘要
本设计基于PWM技术实现了对小功率直流电机的转速调节。
以MC9S12XS128单片机为系统控制的核心,组成了了一个小功率直流电机闭环调速调速系统。
该系统包括小功率直流电机的转速调节、电机转速设置、电机转速测量和显示等功能。
为了实现电机转速的稳定和快速,PWM控制方式配合BTS7960电机驱动芯片对小功率直流电机进行驱动和调速是较好的调速系统解决方案。
其中BTS7960内部集成两路H桥式驱动电路电路。
本系统中利用XS128单片机控制其产生的PWM信号的占空比大小,和采用光电码盘采集的电机转速信号。
在LCD1602液晶上显示当前转速和设置的转速,将当前转速作为反馈信号与设置转速比较,以确定加速还是减速,直到两者相等后保持这个速度稳定运行。
在本设计中编写了调速运算、测速、显示、键盘输入等子程序,充分发挥了直流电机的优良的调速性能。
各部分功能完整,构成了多功能自动化的闭环调速系统。
实测调速效果良好,测速精确,能迅速地调节转速到设定转速稳定运行。
该设计采用元件较少,结构简洁,维护方便,经济实用,有很好的适应性。
关键词:
单片机;PWM;闭环调速系统;液晶显示
Low-PowerDCMotorSpeedControlSystemDesign
BasedonthePWMTechnology
Abstract
1引言
1.1课题背景及意义
在现代的工业生产及应用中,电动机发挥着越来越重要的作用,由电动机和生产机械组成的系统称为电力拖动系统,电动机是其重要的组成器件,电动机的作用是将电能转换为机械能,为生产机械提供动力,是生产机械的原动力,是生产机械的原动机,为生产提供了动力。
直流电机传动效率高、运行经济、操作简便,因而得到了越来越广泛的应用,特别是在现在的工业企业中,几乎所有的生产机械都是由电动机来拖动的,例如各种机床、各种生产线、风机、水泵,等等。
可以毫不夸张的说,没有电动机、没有直流电机,就没有现代工业。
这样,电动机在我国国民经济中得重要作用就不言而喻了,所以说电动机在的日常的生活中是必不可少的。
所以我们非常有必要研究一下直流电机。
电动机是主要的驱动设备,直流电动机就是将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换为直流电能(直流发电机)的旋转电机。
近年来,随着科技的进步,直流电机得到了越来越广泛的应用,直流具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广,过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速起动、制动和反转,由于在需要用到变速的场合有很多的应用,所以需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求,从而对直流电机提出了较高的要求。
这就使研究直流电机的转速变的非常有意义,对我们日常的生活也有很大的帮助。
1.2本课题研究方法和目标
直流电机调速系统研究的方法及其目标:
1、硬件部分:
(1)首先确定电机驱动的电路,以及控制驱动电路的方式。
(2)要使其驱动电路工作,则需要给驱动电路信号,也就是PWM控制信号,这个信号就得要XS128单片机产生。
这就是要设计一下XS128核心控制模块,还有按键输入预置转速的模块。
(3)电机转动以后需要测量其速度,这时要用到测速的模块来测量其速度,实际转速来作为反馈信号进行比较,使单片机调节占空比,控制转速的快慢。
(4)测速以后,我们需要用到显示模块来进行显示器预设转速和事件转速。
2、软件部分:
(1)键盘输入预设转速程序,一边给XS128单片机,一边给51单片机。
(2)XS128单片机产生PWM信号的程序,这个占空比大小是可调的,设计为键盘输入预设转速与当前转速相比较由软件自动调节,然后产生要求的触发信号去控制电机按照我们要求的转速工作。
(3)51控制LCD1602显示的程序,显示预置转速和实际的转速。
本设计将实现直流电机的闭环调速,转速预置,速度显示,速度测量等基本功能。
1.3主要技术介绍
本设计核心技术是脉宽调制(PulseWidthModulation)控制技术,该技术通常简称为PWM控制技术。
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。
研究PWM是非常有实际意义的。
脉冲宽度调制(PWM),简称脉宽调制,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。
它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制电机转速的目的。
脉冲宽度调制(PWM)是一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。
2方案研究与主要芯片选择
2.1总体方案原理及设计框图
本设计是基于MC9S12XS128单片机为核心处理芯片来控制整个系统进行运行,还用到了STC89C51单片机为辅助显示模块。
系统框图如图2.1所示。
图2.1控制系统框图
如图所示本方案采取MC9S12XS128为核心控制的芯片来控制系统为核心,键盘输入转速,来使控制中心产生PWM信号给驱动模块,来控制驱动模块,调节电机转动的转速,测速模块时时的对电机进行测速,并把速度反馈给控制核心,与键盘输入转速进行比较,然后依次调节PWM信号,使电机的实际转速和键盘输入转速相同。
电源为5V和6V,6V电源给驱动电路的BTS7960芯片来进行供电,5V的电源给显示模块、MC9S12XS128核心控制模块、测速模块来进行供电。
键盘输入模块是四个按键,分别相当于千,百,十,个位,通过按键来设定转速。
测速模块实际就是一个红外发光对管,通过测量高低脉冲的个数来实现测速。
驱动模块是由两片BTS7960组成的H桥来对电机进行驱动。
显示装置用到了STC89C52RC单片机来驱动LCD1602液晶来对实际转速和键盘的预设转速来进行显示。
调速模块通过调节PWM信号的占空比来进行调速。
根据系统框图,对系统进行了设计,设计过程中要用到器件的选择,下面是对各部分单元器件的论证和选择。
2.2主控电路的选择与论证
在本设计中,主控电路可以用到两种芯片。
1、采用MC9S12XS128作为系统的主控芯片。
MC9S12XS128是16位单片机,由16位中央处理单元(CPU12X)、128KB程序Flash、8KBRAM、8KB数据Flash组成片内存储器。
这要功能模块包括:
内部存储器;
内部PLL锁相环模块;
2个异步串口通讯SCI;
1个串行外设接口SPI;
1个8通道输入/输出比较定时器模块TIM;
周期中端定时器模块PIT;
16通道A/D转换模块ADC;
1个8通道脉冲宽度调制模块PWM;
输入/输出数字I/O口。
MC9S12XS128有丰富的输入输出端口资源,同时集成了多种功能模块,端口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ、PORTAD共11个端口。
端口引脚大多为复用口,往往具有多重功能,所有端口都具有通用I/O口功能。
下面给各个管脚的功能:
PORTA、PORTB、PORTK为通用I/O口;
PORTE中的IRO和XIRQ引脚可作为外部中断输入;
PORTT集成了TIM模块功能;
PORTS集成了SCI和SPI模块功能;
PORTM集成了CAN总线模块;
PORTP集成了PWM模块功能;
PORTH、PORTJ可作为外部中断输入口;
PORTAD集成了ATD模块功能。
其原理图如图2.2所示。
图2.2MC9S12XS128引脚图
2.采用89C51作为作为系统主控芯片
89C51单片机是8位单片机,4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,P0,P1,P2,P3为I/O口。
P0作I/O口时需要接上上拉电阻。
两个数据指针,两个16位定时/计数器,一个5向量中断结构,一个全双工串口通信口,片内振荡器及时钟电路。
其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集,工具有111条指令,与其他高位单片机相比而言,指令周期较长,运算速度太慢,而且由于其内部总线是8位的,其内部功能模块也基本上都是8位的;89C51单片机本身的电源电压是5伏,89C51有两种低功耗方式:
待机方式和掉电方式。
比较以上两种方案:
1.MC9S12XS128是16位的运算速度比较快,而C51是8位的运算速度不快。
2.MC9S12XS128产生PWM信号比较精确,并且有专门产生PWM信号的寄存器,并且方便简单,可操作性强。
C51M没有专门产生PWM信号的寄存器,可操作性不强,还得自己进行编程,相比于XS128,C51单片机要麻烦。
所以我们选用MC9S12XS128为主控制芯片。
2.3显示设备的选择与论证
1、使用数码管显示
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮;共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
在本设计中可以使用一个3/8译码器作为位选芯片,一个74LS573作为段选芯片,预计要完成各功能电路的显示则至少需要两个四合一数码管,此方案连线太多,硬件设计不便,并且其功耗较大。
2、使用液晶LCD1602显示
液晶显示屏用于数字型钟表和许多便携式计算机的一种显示器类型。
其显示使用了两片极化材料,在它们之间是液体水晶溶液。
电流通过该液体时会使水晶重新排列,以使光线无法透过它们。
因此,每个水晶就像百叶窗,既能允许光线穿过又能挡住光线。
相比于其他显示器件,液晶显示器件具有很多独到的优异特性:
(1)低压、微功耗。
极低的工作电压,只要2—3V即可工作,而工作电流仅几微安,这是其他任何显示器件无法比拟的。
(2)平板型结构。
平板型结构便于大批量、自动化生产。
(3)被动型显示。
液晶显示器本身不能发光,它靠调制外界光达到显示目的,因此称为被动型显示。
液晶显示不仅可以用于室外显示,而且还可以用于在阳光等强烈照明环境下显示。
对于黑暗中不能观看的缺点,只要配上背光源,就可以克服。
(4)显示信息量大。
液晶显示在同样大小的显示窗面积内,可以容纳更多的像素,显示更多的信息。
(5)易于彩色化。
液晶本身虽然一般是没有颜色的,但它实现彩色化却很容易,方法也很多。
(6)寿命长。
液晶材料是有机高分子材料,具有极高的纯度,液晶的驱动电压很低,驱动电流更是微乎其微,因此寿命很长。
(7)无辐射,无污染。
液晶显示器件使用时不会产生软x射线及电磁波辐射。
液晶显示有驱动简单,耗电量小,无辐射危险,平面显示以及影像稳定不闪烁等优势,显示直观、抗干扰能力强、并且显示的信息量比数码管就要大等诸多优点,经比较,本设计选择此方案。
2.4驱动模块选择
1、使用MOS管来搭建驱动电路
常用的直流电机驱动方式有用MOS管来搭建H桥驱动方式,在直流电机功率较小时也用三极管或场效应管放大作放大器驱动。
能提供较大的电流,原理图如图2.2所示。
图2.2
2、直接使用驱动芯片BTS7960
BTS7960是半桥驱动芯片,就是说需要两个芯片来组成一个H桥来驱动一下电机,电流最高43A,驱动电流稳定,驱动效果好。
由于其内阻较小,所以其发热量也小。
其管脚及其作用说明如图2.3。
管脚
名称
I/O
功能
1
GND
--
接地
2
IN
输入
输入(高或低有效)
3
INH
输入
抑制(低电平进入休眠状态)
4
OUT
输出
半桥功率输出
5
SR
输入
转换功率调整
6
IS
输出
电流检测与自我诊断
7
VS
--
供电
图2.3S7960的管脚及其功能
综合考虑一下,用MOS管搭建H桥的驱动电路麻烦,并且发热量大并且不稳定,BTS7960的最大驱动电流可以达到43A,并且内阻较小,发热量小,接上外围电流就可以用,驱动电路稳定,综合考虑,本设计选用两片BTS7960来作为驱动电路。
3硬件电路设计
3.1单片机模块单元电路设计
XS128单片机最小系统电路图如图3.1所示。
图3.1XS128单片机最小系统电路图
C51单片机最小系统电路图如图3.2所示。
图3.2C51单片机最小系统电路图
如图3.2所示,单片机单元模块电路采用上电复位电路,上电复位就是接通电源后,单片机自动实现复位操作。
上电复位电路由C1、S2、R2构成,上电瞬间9脚获得高电平,随着电容C1的充电,9脚的高电平逐渐下降。
9脚的高电平只要能保持足够的时间(2个机器周期),单片机就能进行复位操作。
Y1、C3、和C4构成内部时钟振荡电路,C19和C20的作用主要是稳定频率和快速起振容值为5-30pF,典型值为22pF。
为方便与计算机通信晶振的频率选用11.0592MHz。
3.2驱动控制电路设计
驱动控制电路图如图3.3所示。
图3.3驱动控制电路
本设计的驱动控制电路的实质就是由两片驱动芯片BTS7960来组成H桥,在2管脚输入PWM信号,7脚输入6V的电压,3脚相当于输入一个高电平,6脚和5脚通过电阻接地,1脚直接接地。
4脚接电机,这时根据占空比的大小来决定4脚输出电压值的大小,电压值越大,电机转的速度越快越快,电压值越小,电机转的越慢。
以实现电机的驱动和PWM信号对电机的控制,电压值的大小就相当于是PWM波形占空比的反映,PWM可以实现对电机进行调速。
3.3测速电路设计
测速电路如图3.4所示。
图3.4测速电路原理图
测速电路的原理如上图所示,核心的器件是一对红外发光对管。
其中一个发射,一个接受。
然后就是有个比较器,比较器就是LM324。
来对电平进行比较,使之输出高电平和低电平来实现脉冲的计数。
在红外发光对管和红外接受对管之间放入一个光电码盘,100线的,就是如图3.5所示。
把光电码盘安装在电机上,让光电码盘随着电机的转动而转动,这时线会遮住红外发光管发出的光,红外接收管会接不到光,相当于断路,这时2脚就是高电平0,而3脚由于电阻分压的作用,其电压小于5V,经过比较器的比较后输出低电平。
当红外发光管和红外接受管之间没有线时,发光红外管发出的光会被红外接收管所接受,红外接受管接受了光以后,就相当于短路,这时2脚输入是低电平,3脚由于电压的分压的作用,其电压大于0,这时比较器比较2脚和3脚,输出的是高电平,这时可以根据记录高电平的个数,可以实现测速。
图3.5光电码盘
3.4液晶显示电路设计
液晶显示部分电路图如图3.6所示。
图3.6液晶显示电路
如图3.6所示,本设计液晶采用LCD1602液晶模块。
用来显示电机的预设转速和实际的转速。
功能特点:
1、LCD1602显示内容5×8点字符点阵式,16×2行,点大小0.55×0.50mm2,点间距0.05mm,字符间距0.7mm;
2、显示类型:
STN黄绿模式,6:
00或12:
00视角,正向显示;STN灰模式,6:
00或12:
00视角,正向显示;FSTN黑白模式,6:
00视角,正向显示;
3、LED背光或EL背光;
4、工作电压:
5V,不含背光工作电流:
1.25mA(典型值);
5、工作温度:
-20℃-70℃,储存温度:
-30℃-80℃;
6、控制器KS0066,芯片封装COB[6]。
液晶各管脚功能说明如表1所示:
表1LCD1602各管脚功能说明
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源(+5V)
3
V0
液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度最高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)
4
RS
RS为寄存器选择,高电平“1”时选择数据寄存器,低电平“0”时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线,高电平“1”时进行“读”操作,低电平“0”时进行“写”操作。
6
E
E(或EN)端为使能(enable)端,下降沿使能。
7
DB0
底四位三态双向数据总线0位(最低位)
8
DB1
底四位三态双向数据总线1位
9
DB2
底四位三态双向数据总线2位
10
DB3
底四位三态双向数据总线3位
11
DB4
高四位三态双向数据总线4位
12
DB5
高四位三态双向数据总线5位
13
DB6
高四位三态双向数据总线6位
14
DB7
高四位三态双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
3.5电源电路的设计
电源电路设计如图3.7所示。
图3.7电源电路
电路中有7805芯片和7806芯片,7805芯片是用来稳压5V的,7806芯片是用来稳压6V的。
5V分别给XS128,C51,测速模块,显示模块供电。
6V给驱动电路来进行供电。
不管7805还是7806都有三个管脚,其中有一个管脚接地,一个管脚接输入,另外一个管脚接输出。
本设计用的电源是12V的电源,需要用电源模块实现电压的转换,转换为需要的5V和6V的电压。
3.5按键输入电路的设计
按键输入电路设计如图3-8所示。
图3-8按键输入电路
本设计中按键输入电路的作用就是输入预设定的转速。
有四个按键,分别为KG2,KG3,KG4,KG5。
这四个按键就分别相当于千位,百位,十位,个位。
KEY1与P3.0相接,KEY2与P3.1相接,KEY3与P3.2相接,KEY3与P3.3相接。
工作原理为:
当按键没有被按下时,相当于断开,R电阻中没有电流经过,KEY1这时为高电平,KEY1与P3.0相接,这时,P3.0也为高电平。
当按键被按下时,按键相当于一根导线,KEY1相当于接地,这个P3.0就为低电平,出现了电位的变化,所以,可以根据电位的变化来实现计数。
按键被按了几次,就相当为几。
可以用来设定预定的转速。
3.6电路总设计为:
电路的总设计图如图3-9所示。
图3-9设计总原理图
在开始做的时候,本设计选用了模块化的思想,即先一个一个模块的去做,总共有四个模块:
电源模块、显示模块、驱动模块、XS128核心控制模块。
做一个模块调试一个模块,感觉效果比较好,比较有针对性,而且便于我们快速的找到错误,那个模块有问题直接去检查那个模块,模块化思想在我们的工业生产中也得到了广泛的应用。
等到每个模块都调好以后,然后再把所有的模块都整合到一个板子上面,形成了一个总的设计。
本设计很好的表现出了模块化的思想。
PCB图如3-10所示。
4软件设计
4.1软件设计的总体流程及系统运行的思路
N
不同
图4.1主程序流程图
图4.1是主程序的流程图,表示了小功率直流电机调速系统的工作的过程。
即:
开启开关,电机转动,然后用按键来输入预设的转速,把预设的转速给XS128单片机和C51单片机。
测速系统把实际的转速反馈给XS128单片机和C51单片机。
C51单片机会驱动液晶LCD1602进行程序的显示,即显示出预设转速和实际的转速。
而XS128单片机进行两个速度的比较,若两个速度一样,则PWM波的占空比不变,电机的转速保持不变;若两个速度不一样,则XS128会改变PWM波的占空比,并调节输出电压值的大小,来调节电机的转速。
具体情形如下:
若电机的预设转速大于实际的转速,XS128会增大PWM波的占空比,使输出电压增大,电机的转速加快;若电机的预设转速小于电机的实际的转速,XS128会减小PWM波的占空比,使输出的电压减小,电机的转速变慢。
这样把电机的转速信息进行时时的反馈和比较,使电机的转速稳定在预设值的附近。
通过LCD1602把电机的转速给显示出来。
4.2各个模块的系统流程图
4.2.1XS128工作流程的系统框图
图4-2XS128单片机工作流程图
XS128工作时,首先要对各个模块进行初始化,开始时要对时钟进行初始化,把时钟设置为24MHz的;然后对PWM进行初始化,把PWM2设置为输出,为驱动模块提供PWM信号;然后在对ECT计数模块进行初始化,把其设置成为记录下降沿的形式,当下降沿来临时计数,记录脉冲的个数,借此来推算出电机速度的实际值;端口的初始化,把PORTA设置成输入的模式,记录按键按的次数来计算出来预设的速度,把实际速度和预设的速度进行比较,判定是否一样,要是一样的话PWM就保持不变;要是不一样的话则改变PWM2占空比的大小,改变电机的转速,直至电机的转速保持在预设值的附近。
4.2.2PWM产生的工作流程框图
PWM产生的系统流程图如图4-3所示。
图4-3PWM产生的流程图
本设计中PWM信号的产生就是通过编程来产生的。
通过对XS128的编程,可以得到PWM波形,并且可以通过编程来任意的改变PWM信号的占空比的大小。
4.2.3按键工作的系统框图
按键工作流程图如图4-4所示。
图4-4按键的工作流程
本设计中按键的工作中主要涉及到两个单片机,一个是XS128单片机,另外一个是C51单片机。
KEY1,KEY2,KEY3,KEY4分别是四个独立的按键,分别相当于千位,百位,十位,个位。
每按下一次后,相当于一次中断,其自身就会加1。
预设转速=1000*KEY1+100*KEY2+10*KEY3+KEY4。
可以通过按键来设定预设转速。
4.2.4显示模块的系统流程图
显示模块的系统流程图如图4-5所示。
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