基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计.docx

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基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计

本科毕业设计论文

论文题目基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计

基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计

摘要本文介绍利用51系列单片机控制PWM信号从而实现对大功率直流电机转速进行控制的系统设计。

文章中采用了STC89C52单片机芯片，通过软件控制，对PWM输出占空比进行调节，从而控制电机的平均电压以实现电机速度的控制。

此外，还采用了IR2110芯片与功率管（MOSFET）构成H桥驱动电路作为直流电机调速功率放大电路的驱动模块。

本设计中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，反馈给单片机，通过液晶显示出来。

另外，通过对电流的采样，实现过流保护。

在软件方面，文章中详细介绍了PWM运算程序以及速度测量程序等的编写思路和具体的程序实现。

关键词PWM,IR2110,直流电动机,STC单片机

ABSTRACTThisarticledescribestheuseof51seriesmicrocomputercontrolofthePWMsignalinordertoachievehigh-powerDCmotorspeedcontrolsystemdesign.Withthehelpofstc89c52,akindofMCU,thepaperdescribedhowtoadjusttheoutputofthePWMdutycycletocontroltheaveragemotorvoltageandsotocontrolmotorspeed.Inaddition,theusesoftheIR2110chipandpowertube（MOSFET）constitutetheHbridgedrivecircuitasadrivermoduleofDCmotorspeedcontrolcircuitofpoweramplifier.ThedesignadoptstheHallelementtomeasuretheDCmotorspeed,andtheresultofitfeedsbacktothemicrocontrollerandshowsontheliquidcrystaldisplay.Moreover,throughtotheelectriccurrentsampling,realizestheoverflowprotection.Onthesoftwareside,thearticleintroducedindetailtheprocedures,aswellascomputingspeedPWMmeasurementproceduresforthepreparationofideasandtherealizationofthespecificprocedure.

KEYWORDSPWM,IR2110,DCmotor,STCmicrocomputer

基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计

前言

本文介绍利用51系列单片机控制PWM信号从而实现对大功率直流电机转速进行控制的系统设计。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

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。

直流电动机具有良好的线性调速特性、控制简单、效率高及优异的动态特性，长期以来一直占据着调速控制领域的重要地位。

本文主要利用单片机输出PWM，调节占空比来控制输出的电压大小，从而达到调速的功能。

不同的占空比对应不同的输出平均电压，在平均电压的作用下，直流电机就会以对应的转速运转。

本文还用到IR2110芯片组成的H桥驱动模块来驱动大功率直流电机，不仅起到弱电控制强电的效果而且可以控制电机的正反转及瞬时停下。

在检测速度的模块中用到霍尔元件及磁片来检测速度。

霍尔元件有着抗干扰强，外围电路简单等优点，在测速应用上被大量引用。

通过液晶显示模块显示出电压的占空比以及直流电机的实时速度，通过改变其占空比，调节到需要的转速下。

过流保护模块可以保护不当操作而使到电机短路而停止电机。

第一章系统硬件电路设计

1.1系统总设计框图介绍

图1-1系统设计框图

本文使用STC单片机89C52，通过编程使其产生可调PWM信号，经过光电耦合器，输给IR2110模块，驱动H桥，控制电机，可实现电机正反转控制，及无级调速功能。

通过霍尔元件可以检测到电机转速脉冲，反馈给单片机，经过液晶显示出来。

当单片机控制电机停下时，液晶显示时钟。

1.2单片机系统设计介绍

1.2.18051单片机简介：

图1-2单片机组成图

8051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。

其基本组成如上图所示。

1.2.2STC单片机简介

1．STC89C52单片机简介

STC单片机是由美国设计,国内宏晶公司贴牌生产的,这个芯片设计的时候就吸取51系列单片很容易被破解的教训,改进了加密机制.

它是51系类单片机的增强型。

STC89C52单片机内含8KB的ROM，外接最大64KB；内建RAM为256B，外接最大64KB；拥有3个16位定时器/计数器；中断源有6个；4个8位I/O口。

2．STC89C52的特点

1）加密性强,很难解密或破解,解密费用很高、国内能解密的人少,一般的仿制者望而退步. 

2）抗干扰能力强:

1 、高抗静电（ESD保护） 

2 、轻松过 2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT 测试） 

3 、宽电压,不怕电源抖动 

4 、宽温度范围,-40℃~85℃ 

5 、I/O 口经过特殊处理 

6 、单片机内部的电源供电系统经过特殊处理 

7 、单片机内部的时钟电路经过特殊处理 

8 、单片机内部的复位电路经过特殊处理 

9 、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理 

3）三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施:

1 、禁止ALE输出; 

2 、如选 6 时钟/机器周期,外部时钟频率可降一半; 

3 、单片机时钟振荡器增益可设为 1/2Gain. 

4）超低功耗:

1 、掉电模式:

典型功耗<0.1 μ A  

2 、空闲模式:

典型功耗2mA 

3 、正常工作模式:

典型功耗4mA-7mA 

4 、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池 . 

5）在系统可编程,无需编程器,可远程升级 

6）可供应内部集成MAX810专用复位电路的单片机, 

7）STC单片机直接替换ATMEL,PHILIPS,Winbond产品 

1.2.3最小系统原理图及按键部分：

图1-3单片机最小系统

单片机最小系统能够正常运行必须有复位电路、晶振、单片机芯片，才能保证系统的稳定运行。

图1-4按键控制

四个按键分别控制电机的开关、正反转、速度升、速度降。

按键悬空的时候单片机的IO口为高电平，当按键按下时，单片机IO口为低电平。

※单片机控制电路应（未有）给出，同时应标出单片机控制信号与驱动电路如何相连接，附上总电路图等

1.3功率放大驱动电路设计

该驱动电路采用IR2110集成芯片，它可以输出上下桥的PWM信号。

两个

IR2110可以架构H桥驱动电路。

1.3.1IR2110芯片及外围原理图

图1-5H桥驱动电路及光耦隔离

由单片机产生PWM信号，通过光耦隔离输入IR2110，驱动场效应管构成的H桥驱动电路，驱动电机，控制速度及正反转。

1.3.2IR2110性能与特点

IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发并且投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。

它把驱动高压侧和低压侧MOSFET或IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。

高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得MOSFET和IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。

与此同时，IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。

降低了产品成本和减少体积。

1.3.3IR2110的引脚图以及功能

引脚1（LO）与引脚7（HO）：

对应引脚12以及引脚10的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道MOSFET的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚1与引脚2以及引脚7与引脚5之间并接一个10KΩ的电阻。

引脚2（COM）：

下通道MOSFET驱动输出参考地端，使用中，与引脚13（Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道MOSFET的源极。

引脚3（Vcc）：

直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚2。

引脚5（Vs）：

上通道MOSFET驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动MOSFET的源极相通。

与引脚6（VB）：

通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对Vcc的参数要求为大于或等于—0.5V，而小于或等于+20V。

引脚9（VDD）：

芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去耦网络接地，该端可与引脚3（Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。

引脚10（HIN）与引脚12（LIN）：

驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率MOS器件的驱动脉冲信号输入端。

应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为Vss-0.5V至Vcc+0.5V，这里Vss与Vcc分别为连接到IR2110的引脚13（Vss）与引脚9（VDD）端的电压值。

引脚11（SD）：

保护信号输入端，当该引脚为高电平时，IR2110的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时，则IR2110的输出跟随引脚10与12而变化。

引脚13（Vss）：

芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚2直接相连。

引脚8、引脚14、引脚4：

为空引脚。

芯片参数：

1．IR2110的极限参数和限制：

最大高端工作电源电压VB：

-0.3V至525V

门极驱动输出最大（脉冲）电流IOMAX：

2A

最高工作频率fmax：

1MHz

工作电源电压Vcc：

-0.3V至25V

贮存温度Tstg：

-55至150°C

工作温度范围TA：

-40至125°C

允许最高结温Tjmax：

150°C

逻辑电源电压VDD：

-0.3V至VSS+25V

允许参考电压Vs临界上升率dVs/dt：

50000V/μs

高端悬浮电源参考电压Vs：

VB-25V至VB+0.3V

高端悬浮输出电压VHO：

Vs-0.3V至VB+0.3V

逻辑输入电压VIN：

Vss-0.3V至VDD+0.3V

逻辑输入参考电压Vss：

Vcc-25V至Vcc+0.3V

低端输出电压VLO：

-0.3V至Vcc+0.3V

功耗PD：

DIP-14封装为1.6W

2．IR2110的推荐工作条件：

高端悬浮电源绝对值电压VB：

Vs+10V至Vs+20V

低端输出电压VLO：

0至Vcc

低端工作电源电压Vcc：

10V至20V

逻辑电源电压VDD：

Vss+5V至Vss+20V

逻辑电源参考电压Vss：

-5V至+5V

1.3.4IR2110工作原理

图1-7IR2110外围接线

IR2110典型接线如图所示,其中VDD采用5～20V电源,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,VCC为10～20V功率管门极驱动电源,由于VSS可与COM连接,则VCC与VDD可共用同一个典型值为+15V的电源。

图中,C2为自举电容,Vcc经VD1、C2、负载、VT2给C2充电,以确保VT2关闭、VT1开通时,VT1管的栅极靠C2上足够的储能来驱动,从而实现自举式驱动。

若负载阻抗较大,C2经负载降压充电较慢,使得VT2关断、VT1开通,C2上的电压仍充电不到自举电压8.3V以上时,输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁,VT1就无法正常工作。

为此,要么选用小容量电容,以提高充电电压;要么为C2提供快速充电通路;要么取掉VD1,直接给VB、VS加另一个10～20V隔离电源。

对于全桥型逆变器,由于A、B两端连在一起。

无需经过负载充电,这种形式自举工作仅是C2选择问题,易于处理。

显然每个周期VT1开关一次,C2就通过VT2开关充电一次,因此自举电容C2的充电还与输入信号HIN、LIN的PWM脉冲频率和脉冲宽度有关,当PWM工作频率过低时,若VT1导通脉宽较窄,自举电压8.3V容易满足;反之无法实现自举。

因此,要合理设置PWM开关频率和占空比调节范围,C2的容量选择考虑如下几点:

（1）PWM开关频率高,C2应选小。

（2）尽量使自举上电回路不经大阻抗负载,否则应为C2充电提供快速充电通路。

（3）对于占空比调节较大的场合,特别是在高占空比时,VT2开通时间较短,C2应选小,否则,在有限时间内无法达到自举电压。

（4）C2的选择应综合考虑PWM变化的各种情况,监测H0、VS脚波形进行调试是最好的方法。

这里选有C2为胆电容1uF,C3为瓷片电容，在C3并上1uF的胆电容，由示波器可以看出波形平稳，正常。

胆电容响应速度快，也不像电解电容有漏电流，所以这里选用胆电容。

本设计的PWM频率为100hz左右，相对IR2110所支持的频率为低频率，所以选用C2为1uF，通过示波器，可以看到实验波形正常。

1.3.5光耦隔离设计

光耦合器一般由三部分组成：

光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。

本设计使用的是TLP521-2芯片，该芯片由两个光耦期间组成，如图。

通过TLP521光耦合器隔离了单片机与驱动模块的联系，保护了单片机，又使到5V的信号转变成15V驱动IR2110芯片工作。

1.3.6H桥驱动设计

1．电机的正反转驱动原理

如图，当开关S1、S2接通，S3、S4同时关断时，电流从电机的左边流向右边，电机正转；反之，但开关S1、S2关断，S3、S4同时接通时，电流从电机的右边流向左边，电机反转；当开关S3、S2接通，S1、S4同时关断，则电机瞬时停下。

2功率管的选择※根据电机功率（负载）对主电路器件、功率管的选择等进行分析计算

在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。

由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。

H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：

一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET；另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。

相对来说，利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。

但由于加工工艺的原因，P沟道功率MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。

而N沟道功率MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。

综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的优点，本设计采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流。

IRF740是N沟道增强模式硅栅功率场效应晶体管，它是一种先进的功率MOSFET的设计，并保证能够承受的水平能源在雪崩击穿的运作模式。

可以应用在开关稳压器，开关转换器，电机驱动器，继电器驱动器和驱动器的高功率双极晶体管开关需要高速和低栅极驱动电源。

可以直接从应用于集成电路。

IRF740的参数

1）工作最大电流电压：

10A，400V；

2）导通时rDS（on）＝0.550Ω；

3）单脉冲雪崩能量额定

4）高输入阻抗

利用IRF740的高耐压性可以驱动大功率电机，让MOSFET工作在开关状态，VGS电压大于6V时，功率管工作在开关状态。

1.4电机测速电路设计

1.4.1霍尔元件介绍

霍尔器件是一种磁传感器。

用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。

霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。

取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

按照霍尔器件的功能可将它们分为:

霍尔线性器件和霍尔开关器件。

前者输出模拟量，后者输出数字量。

本设计用的就是霍尔开关器件A1104。

但磁片靠近霍尔器件时，输出又高电平转为低电平。

1.4.2霍尔传感器的工作原理

由霍尔效应原理可知,当霍尔片处于磁场中,并在垂直于磁场的方向上通以电流时,霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差VH=KBI输出。

当通过霍尔片的电流恒定不变时,改变磁场的大小,可以改变霍尔电势差VH。

图1-12霍尔传感器组成图

开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC门输出E五部分组成,如图10所示。

从输入端1输入电压VCC,经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端,以提供恒定不变的工作电流。

在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场,产生霍尔电势差VH,该VH信号经差分放大器C放大后送至施密特触发器D整形。

当磁场达到“工作点”（即Bop）时,触发器D输出高电压（相对于地电位）,使三极管E导通,输出端Vo输出低电位,此状态称为“开”。

当施加的磁场达到“释放点”（即Brp）时,触发器D输出低电压,使三极管E截止,输出端Vo输出高电位,此状态称为“关”。

这样2次高低电位变换,使霍尔传感器完成了1次开关动作。

如图11所示。

Bop-Brp称为磁滞。

在此差值内,输出电位Vo保持高电位或低电位不变,因而输出稳定可靠。

图1-13霍尔效应原理

根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

1.5显示模块设计

显示部分采用了1602的液晶显示，能够同时显示16x02即32个字符。

通过单片机的控制，使液晶显示出转速，PWM的占空比。

电机不工作时，显示时间。

1.5.1LCM1602简介

显示容量：

16x02字符

工作电压：

4.5~5.5V（5V最佳）

工作电流：

2.0mA

管脚功能：

第1脚：

VSS为电源地

　　第2脚：

VDD接5V电源正极

　　第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端（使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

　　第4脚：

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。

　　第5脚：

RW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。

　　第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

　　第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

　　第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

1.5.2LCM1602写操作时序图

图1-15LCM1602工作时序图

1.6电源模块设计

1.6.1电源模块的原理图

图1-1615V直流稳压电源

图1-175V直流稳压电源

公式

式中T为50Hz。

根据公式可以大概计算出电容的容量。

选用100uF的电容滤波，对于模块的供电足够了。

1.6.2稳压芯片简介

1、78系列稳压芯片功能框图

图1-18稳压芯片功能图

2、78系列稳压芯片参数

7805芯片：

输入电压：

8~20V

稳压输出：

5V

最大电流：

1.5A

7815芯片：

输入电压：

17.5~30V

稳压输出：

15V

最大电流：

1.5A

第二章软件设计分析

2.1主程序流程图

图2-1程序流程图

2.2PWM基本原理及其实现方法

2.2.1PWM基本原理

PWM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，进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，如电机调速、温度控制、压力控制等。

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”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

图2-2PWM信号的占空比波形

如图所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t１／T，则电机的平均速度为

Vd=Vmax*D

式中，Vd——电机的平均速度；

Vmax——电机全通电时的速度（最大）；

D=t１／Ｔ——占空比。

由公式可见，当我们改变占空比D=t１／Ｔ时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。

严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，，可以将其近似地看成线性关系。

可以将其近似地看成线性关系。

2.2.2实现方法