基于AT89S52单片机直流电机控制系统的设计.docx
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基于AT89S52单片机直流电机控制系统的设计.docx
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基于AT89S52单片机直流电机控制系统的设计
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摘要
电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要,而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。
随着数字技术的迅速发展,微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用,由于数字系统有着模拟系统所没有的优势,如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。
本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。
利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计,能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。
系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制,以及PWM的占空比在LED上的实时显示。
关键词直流电机;AT89S52;PWM调速;L298
Abstract
Motorsplayimportantrolesinallwalksoflifeandtherotationspeedofmotorsisoneofthevatalperformanceindexs.Inaddition,itismoreimportanttomeetpeople’sdemandsbytestingtherotationspeedandthespeedgoverningofmotors.What’smore,withthedevelopmentofscience,anewwayofspeedgoverningturnedupwhichcalledPWM.
Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,micro-controllerinallareasofsocietyhavebeenwidelyused.Becausedigitalsystemhasmanyadvantageswhichanalogsystemdoesnothave,suchasstronganti-interference,simpleinterfacewiththePC,easyupgradeandmaintenanceforsystem.
ThisprojectisaspeedgoverningsystemofthepulsewidthofDCmotorcontrolledbymicrocontrollerAT89S52andL298.MakingtheuseofthechipofAT89S52,IdesignacontrollingsystemofDCmotoroflowcost.Itcansimplifythesystemstructurereducesystemcost,strengthensystemperformanceandmeetmoreneedsfrommoreapplications.Andthesystemcancontrolthecorotation,reversal,scraming,acceleratingandslowdownofmotorsanddisplaythedutyratioofPWMonLEDinrealtime.
KeywordsDCMotorAT89S52PMWSpeedAutomaticL298
1绪论
1.1直流电机
1.1.1直流电机的发展
直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。
而以往直流电动机的控制只是简单的控制,很难进行调速,不能实现智能化。
如今,直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持,单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展,使人类社会步入了自动化时代,单片机应用技术与其他学科领域交叉融合,促进了学科发展和专业更新,引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。
现代科学技术的飞速发展,改变了世界,也改变了人类的生活。
由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点,计算机性能的不断提高,单片机的应用也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。
在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的能量转换效率;二是应能根据生产工艺的要求调整转速。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此,调速技术一直是研究的热点。
1.1.2直流电机控制方法
直流电动机转速的控制方法可分为两类:
励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小但低速时受到磁场饱和的限制,高速时受到换向火花和转向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的,但这种调压方法效率低。
随着电力电子技术的发展,创造了许多新的电枢电压控制方法。
其中脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)是常用的一种调速方法。
其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比(即占空比)来控制马达的速度,在脉宽调速系统中当电机通电时,其速度增加,电机断电时其速度降低。
只要按照一定的规律改变通断电的时间,就可使电机的速度保持在一稳定值上。
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类,其中根据直流电机的用途可分为以下几种:
直流发电机(将机械能转化为直流电能)、直流电动机(将直流电能转化为机械能)、直流测速发电机(将机械信号转换为电信号)、直流伺服电动机(将控制信号转换为机械信号)。
1.1.3直流电机工作原理
直流电机电路模型如图1-1所示,磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
当线圈中流过电流时,线圈受到电磁力作用,从而产生旋转。
根据左手定则可知,当流过线圈中电流改变方向时,线圈的方向也将改变,因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
直流电机模型见图1-1。
图1-1直流电动机电路模型
1.1.4直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有:
额定功率Pn:
在额定电流和电压下,电机的负载能力。
额定电压Ue:
长期运行的最高电压。
额定电流Ie:
长期运行的最大电流。
额定转速n:
单位时间内的电机转动快慢。
以r/min为单位。
励磁电流If:
施加到电极线圈上的电流。
1.2单片机及微处理器控制系统的发展
单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。
近年来,随着技术的发展和进步,以及市场对产品功能和性能的要求不断提高,直流电动机的应用更加广泛,尤其是在智能机器人中的应用。
直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要,为了能够适应发展的要求,单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。
而作为单片嵌入式系统的核心—单片机,正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。
随着计算机档次的不断提高,功能的不断完善,单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面,特别是在直流电动机的调速控制系统中。
这是因为单片机具有很多优点:
体积小,功能全,抗干扰能力强,可靠性高,结构合理,指令丰富,控制功能强,造价低等。
所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。
早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。
随着计算机控制技术的发展,微处理器已经广泛使用于直流传动系统,实现了全数字化控制。
由于微处理器以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。
所以,全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。
所以,直流传动控制采用微处理器实现全数字化,使直流调速系统进入一个崭新的阶段。
微处理器诞生于上个世纪七十年代,随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微处理器的性价比越来越高。
此外,由于电力电子技术的发展,制作工艺的提升,使得大功率电子器件的性能迅速提高。
为微处理器普遍用于控制电机提供了可能,利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略,使电机的各种潜在能力得到充分的发挥,使电机的性能更符合工业生产使用要求,还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机,使电机的发展出现了新的变化。
对于简单的微处理器控制电机,只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件,使电路开通或关断就可实现对电机的控制。
现在带微处理器的可编程控制器,已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用,通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。
对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等,使电机按给定的指令准确工作。
通过微处理器控制,可使电机的性能有很大的提高。
目前相比直流电机和交流电机他们各有所长,如直流电机调速性能好,但带有机械换向器,有机械磨损及换向火花等问题;交流电机,不论是异步电机还是同步电机,结构都比直流电机简单,工作也比直流电机可靠,但在频率恒定的电网上运行时,它们的速度不能方便而经济地调节[2]。
高性能的微处理器如DSP(DIGITALSIGNALPROCESSOR即数字信号处理器)的出现,为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础,使电机传动的自动化程度大为提高。
在先进的数控机床等数控位置伺服系统,已经采用了如DSP等的高速微处理器,其执行速度可达数百万兆以上每秒,且具有适合的矩阵运算。
2系统论述
2.1设计背景
近年来,随着科技的进步,电力电子技术得到了迅速的发展,直流电机得到了越来越广泛的应用。
直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,从而对直流电机的调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速,改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求,这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。
2.2设计思路
直流电机PWM控制系统的主要功能包括:
实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停,能够很方便的实现电机的智能控制。
主体电路:
即直流电机PWM控制模块。
这部分电路主要由AT89S52单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转,能够很方便的实现电机的智能控制。
其间是通过AT89S52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。
该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成:
设计输入部分:
这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制,以及对PWM占空比的LED实时显示。
设计控制部分:
主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。
直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。
设计显示部分:
LED数码管显示部分,实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。
2.3系统框架设计
方案说明:
直流电机PWM调速系统以AT89S52单片机为控制核心,由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入,单片机
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