基于L298芯片PWM控制直流电机的闭环调速系统.docx
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基于L298芯片PWM控制直流电机的闭环调速系统.docx
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运动控制系统
课程设计
题目:
基于L298芯片PWM控制直流电机的闭环调速系统
院系名称:
电气工程学院
专业班级:
自动1302
学生姓名:
张鹏涛
学号:
201323020219
指导教师:
曹毅
成绩:
指导教师:
日期:
摘要
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,为满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求,对直流电机调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足实际应用的要求,通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
本论文主要研究了利用MC51单片机控制PWM信号从而实现对电压改变最后控制直流电机进行调速,并且通过单元模块电路分析了整个系统的工作原理。
以C语言进行软件编写,通过软件编程对PWM信号占空比进行调节,单片机根据程序进行操作,进一步控制了H桥电路的输入信号,而测速系统把电机转速反馈给单片机通过按键控制其转速,LCD把转速显示出来,从而实现电动机的调速、变向等功能,这种设计方法的电路简单,具有操作简单、非常实用前景和价值。
关键词:
直流电机;MC51;PWM调速;L298;LCD1602
目录
引言 1
一、调速系统总体设计 2
1.1系统总体设计说明 2
1.2系统总体设计框图 2
二、调速系统的硬件电路的设计与原理 2
2.1基于单片机的电机控制设计 2
2.1.1单片机简介 2
2.1.2单片机在电机控制方面的应用 4
2.2电机驱动电路设计 5
2.2.1驱动电路原理介绍 5
2.2.2驱动电路的专用芯片选用及设计 6
2.2.3调速系统驱动电路设计及分析 7
2.3电机转速采集电路设计 8
2.3.1速度采集的原理及方法 8
2.3.2电机转速采集电路设计 9
2.4显示模块设计 9
2.4.1显示模块的原理与方法 9
2.4.2显示模块电路设计 11
2.5键盘输入模块设计 12
2.5.1键盘输入模块的原理与方法 12
2.5.2键盘输入模块电路设计 12
三、调速系统数字部分的设计与原理 13
3.1PID控制器 13
3.1.1PID控制的原理与方法 13
3.1.2数字PID算法的实现 13
3.2数字测速模块 14
3.2.1数字测速模块的设计思想与算法 14
3.2.2数字测速系统流程图 15
3.312864LCD显示模块 15
3.3.112864LCD显示器的控制方法 15
3.4行列式键盘输入模块 17
3.4.1行列式键盘输入模块的设计思想 17
3.4.2行列式键盘输入模块的程序流程图 18
3.5.PWM调速方法设计 18
3.5.1对PWM控制的介绍 18
3.5.2PWM脉冲的产生 19
3.5.3PWM脉冲产生模块的程序流程图 19
设计心得 20
参考文献 21
附录1(完整电路图) 22
附录2(程序源码) 23
引言
对直流电机转速的控制方法可分为两类:
励磁控制与电枢电压控制。
励磁控制调速法是通过控制磁通,从而控制电机转速。
这类方法,控制功率小;转速较低时,收到磁饱和的限制;当转速较高时,收到换向火花和换向器结构强度的限制;而且,由于励磁线圈存在较大电感,导致了系统动态响应较差。
所以,此法应用较少。
电枢电压控制方式也可分为两种:
一为调节电压,二为调节电流。
过去传统的调速系统是采用模拟电子电路来实现其功能,这种电路优势在于响应快,但是灵活性较差,难易维修。
然而单片机作为一种可编程控制器,已经得到成熟的应用。
本课题设计是以51系列单片机为控制核心,产生占空比由数字PID算法控制的PWM脉冲信号实现对直流电机转速的控制。
同时利用光电编码器将电机转速转换成脉冲信号反馈到单片机中,形成转速闭环控制系统,以达到转速无静差调节。
人机界面采用12864LCD显示器显示电机当前的参数、正反转状态、转速以及运行时间,通过44键盘实现:
数字PID参数设置、电机正反转、加速、减速、启动、停止。
一、调速系统总体设计
1.1系统总体设计说明
本文设计了一个直流电机的调速控制系统,以MC51单片机为控制核心产生PWM信号对直流电机的供电电源进行控制从而达到调速目的。
采用闭环结构实现转速无静差,以软件编程方式实现数字PID,系统可以实现可逆调速,应具备必要的人机界面可对电机转速进行设置,并可以手动调整控制器的PID参数,具备堵转保护等必要的保护手段。
其中总体设计中设计如下模块:
PWM产生及控制、功率放大及驱动电路、电机测速、闭环速度反馈电路、PID控制器、速度显示、键盘控制、保护性电路。
1.2系统总体设计框图
二、调速系统的硬件电路的设计与原理
2.1基于单片机的电机控制设计
2.1.1单片机简介
单片机是指CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及基本输入/输出(I/O)接口电路等部件集成在一块芯片上,这样组成的芯片及微型计算机,称之为单片微型计算机,简称为单片微机或单片机。
因为单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制的要求设计制作的,常用作于工业的检测、控制装置中,因此也称作微控制器或嵌入式控制器。
我国目前广泛使用的MCS-51系列单片机,性价比较好,8031、8051都属于51系列。
其内部结构包括:
中央处理器、只读存储器、随机存取存储器、并行输入/输出口、定时/计时器、中断系统。
图2.2-1MCS-51单片机的结构框图
MCS-51系列单片机为哈佛结构,就是程序存储器和数据存储器分开,相互独立。
它的性能特点有:
1内部程序存储器:
4KB;2内部数据存储器:
128KB;3外部程序存储器:
可扩展到64KB;4外部数据存储器:
可扩展到64KB;5输入/输出口线:
32根(4个端口,每个端口8根);6定时/计数器:
2个16位可编程的定时/计数器;7串行口:
全双工,2根;8寄存器区:
在内部数据寄存器的128B中划出一部分作为寄存器区,分为4个区,每个区8个通用寄存器;9中断源:
5个中断源,2个优先级;10堆栈:
最深128B;11布尔处理器:
就是处理器,对某些单元的某位做单独处理;12指令系统(系统时钟为12MHz时):
大部分指令执行时间为1us,少部分指令执行时间为2us,只有乘、除指令的执行时间为4us。
图2.2-2MCS-51单片机的系统结构框图
MCS-51单片机都采用40脚双列直插式封装,40个引脚中有:
2个专用于主电源,2个外接晶振,4跳控制或与其他电源复用的引脚,32个I/O引脚。
2.1.2单片机在电机控制方面的应用
在单片机控制的电机系统中,单片机的输入信号一般是:
用作频率或转速设定的运行指令,用作闭环控制和过电压、过电流保护的电机系统电流、电压反馈量,用于转速、位置闭环控制的电机转速、转角信号,用作缺相或瞬时停电保护的交流电源电压信号等。
从计算机输出地信号主要为:
交流装置功率半导体元器件的触发信号,用于控制输出电压、电流的频率、幅值和相位信号,电机系统的运行和故障状态指示信号,及上位机或系统的通信信号等。
单片机在电机控制系统中实现的主要功能有:
逻辑控制功能,运算、调节和控制功能、自动保护功能、故障检测和实时诊断功能。
电动机系统采用单片机控制具有的优越性:
容易获得高精度的稳态调整性能,可获得优化的控制质量,能方便灵活地实现多种控制策略,提高系统工作的可靠性。
2.2电机驱动电路设计
2.2.1驱动电路原理介绍
在直流电机驱动方面,普遍应用H桥电路来实现对直流电机的调速,如图2.2-1。
图2.2-1H桥驱动电路
由图可知,H桥驱动电路由4个三极管与电机组成,其形状与字母H相似,所以被称为“H桥驱动电路”。
若想要让电机运行,需要导通对角的两个三极管,Q1与Q4或Q2与Q3。
当Q1与Q4导通时,如图2.2-2。
图2.2-2电机顺时针运行
电流从从电源正极流出后,从Q1由左向右流过电机,再从Q4流出回来电源的负极。
此时,电流以从左往右的方向流过电机,从而使电机按顺时针方向运转。
当Q2与Q3导通时,如图2.2-3。
图2.2-3电机逆时针运行
电流从从电源正极流出后,从Q3由右向左流过电机,再从Q2流出回来电源的负极。
此时,电流以从右往左的方向过电机,从而使电机按逆时针方向运转。
2.2.2驱动电路的专用芯片选用及设计
为了使驱动电路更加稳定可靠,并且减少布线,决定采用专用芯片来驱动直流电机工作。
L298N是一款由SGS公司生产的直流电机控制芯片。
它的内部包含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接受标准TTL逻辑电平信号,可以驱动46V、2A以下的电机。
以L298N构造组成的PWM功率放大器的工作形式为单级可逆模式,2个H桥的下侧桥晶体管发射极连接在一起。
L298可驱动2个电机,OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA、ENB接控制使能端,控制电机的停转。
图2.2-4L298内部结构图
图2.2-5L298引脚图
2.2.3调速系统驱动电路设计及分析
本调速系统的驱动电路设计如图2.2-6所示。
图2.2-6L298驱动电路
表2.2-1L298输入输出关系表
根据上表可得,当使能控制端ENA为高电平时,将PWM控制信号送至输入端IN1与IN2,便可以控制电动机的正转与反转。
当IN1端为PWM信号,而IN2端为低电平时,电机正转;当IN2端为PWM信号,而IN1端为低电平时,电机反转。
当IN1端与IN2端都为低电平时,驱动桥路上的4个晶体管均处于截止状态,这样使正在运行的电机的电枢电流反向,电机便自由停止。
当电机正常运行同时,瞬间导通另一组晶体管,将使电机快速停止。
电机的在转速上的调节由单片机产生不同占空比的PWM信号来实现。
2.3电机转速采集电路设计
2.3.1速度采集的原理及方法
本调速系统中由于要将电机当前采样的速度与上次采样的速度进行比较,计算出偏差,然后进行PID运算,因此速度采集电路在整个系统中是不可缺少的。
目前在速度采集技术上主要有以下三种方法:
方法一:
霍尔集成片。
这是由三片霍尔金属板组成的器件,当磁铁正面朝向金属板时,便产生霍尔效应,金属板会产生横向导通的现象。
因此,我们只要把磁片安装在电机上,并将霍尔集成片安装在固定轴上,这样便可以将电机的速度以脉冲的形式检测出来。
方法二:
测速发电机。
将测速发电机与直流电机的转轴相连,当直流电机运转时,带动测速发电机一起转动,此时测速发电机会产生大小取决于电机转速的感应电动势。
方法三:
光电编码器。
这是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
将上诉三种方法进行比较,由于高
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