数字式直流电机调速控制系统设计设计说明.docx

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数字式直流电机调速控制系统设计设计说明

数字式直流电机调速控制系统设计

摘要

在高度现代化的今天，现代电力电子技术，计算机技术，现代控制理论的发展，促进了直流调速技术的进步，使之成为目前活跃的调速技术。

长期以来，直流电动机因为其具有调节转速灵活、方法简单、控制性能好等特点，应用在越来越多的领域中。

本设计是以单片机STC12C5A60S2和L298控制的直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。

主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图和Keil-C51程序。

硬件电路实现了对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及电机速度的实时显示。

以单片机为控制核心的直流电机调速系统，采用了数字化的速度给定与测速，扩大了调速范围，提高了速度控制精度。

由于许多功能都是由软件来完成的，所以使硬件得以简化，故障率比较小。

单片机以数字信号来工作，其控制手段方便灵活，抗干扰能力强。

关键词:

单片机、脉宽调制、直流电机、LCD显示

第一章概述…………………………………………………1

第二掌系统方案设计………………………………………4

第三章硬件设计…………………………………………8

第四章软件设计…………………………………………………17

第5章系统调试…………………………………………………20

第一章概述

1.1课题的背景

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。

从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1.2数字式调速国内外研究状况

所谓的数字式调速系统就是指由数字芯片作为核心控制器的调速系统，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路的制造工艺的迅速发展，数字控制芯片的性能越来越高，价格越来越便宜。

此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。

因此就有可能比较普遍地应用高速的处理器来控制电机，完全各种新颖的、高性能的控制策略，使电机性能得到充分发挥，使电机的应用领域更宽，更符合实际使用要求，另外现在出现的各种便于控制的新型电机，也对调速提出了更高的要求。

比较简单的电机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。

在各种机床设备及生产线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。

对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。

通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。

传统的直流电机和交流电机各有缺点，直流电机调速性能好，单带有机械换向器，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，单在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便经济的调节。

目前，广泛应用于数控机床等自动控制的数控位置伺服系统。

为了提高性能，在先进的伺服系统中，已采用高速数字信号处理器（DIGITALSIGNALPROCESSOR,简称DSP），其指令执行速度达到每秒数百兆以上，非常适合用于数字滤波的构建和快速傅里叶变换等通用的数字信号处理运算。

1.3课题的实际意义

随着微电子技术,微处理机以及计算机软件的发展,使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机,借助软件来实现。

即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展,最后实现全数字化。

在数字化系统中,除具有常规的调速功能外,还具有故障报警,诊断及显示等功能,同时,数字系统通常具有较强的通信能力,通过选配适当的通信接口模板,可方便地实现主站（如上一级PLC或计算机系统）和从站（单机交,直流传动控制装置）间的数字通信,组成分级多机的自动化系统。

为易于调试,数字系统的软件,一般设计有调节器参数的自化优化,通过启动优化程序,实现自动寻优和确定系统的动态参数,以及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等,有利于缩短调试时间和提高控制性能。

国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用,新开发的调速系统几乎全是数字式的。

与模拟系统类似,全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点,技术更先进,操作方便。

数字调速系统与模拟调速系统相对比,技术性能有如下优点:

（1） 静态精度高且能长期保持；

（2） 动态性能好,借助于丰富的软件,易于实现各类自适应和复合控制；

（3） 调速范围宽；

（4） 电压波动小；

（5） 参数实现软件化,无漂移影响；

（6） 所用元件数量少,不易失效；

（7） 设定值量化程度高,且状态重复率好；

（8） 放大器和级间耦合噪声很小,电磁干扰小；

（9） 调试即投产灵活方便,易于设计和修改设计；

（10）标准及通用化程度高,除主CPU模块外,仅数种附加模块；可实现,包括工艺参数在内的多元闭环控制；

（11）适用范围广,可实现各类变速控制及易于实现与单片机或PLC系统通信。

由此,数字化将在未来的调速设备中得到大量应用。

数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。

1.4课题内容

设计一个基于单片机的数字式直流电机调速控制系统，用单片机技术以及相应的仿真平台进行开发，制作并完成该系统。

设计的主要要求如下：

1）能形成闭环的控制系统

2）能通过按键设置要求转速

3）能显示和设定当前电机的转速

4）能够实现电机的正反转

5）控制精度达到：

+-1转/秒

6）系统中要有过流保护

第二章系统方案设计

2.1驱动电路的论证与选择

（一）方案一：

选择桥式可逆PWM变换器作为电机驱动电路。

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。

如图2.1所示。

这时，电动机M两端的电压U的极性随开关器件驱动电压的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里使用的是双极式控制的可逆PWM变换器。

H形桥式电机驱动电路包括四个三极管和一个电机。

要使电机运行，就必须同时导通对角线上的两个三极管。

根据不同三级管对的导通情况，电机的转动方向不一样。

如图2.5所示。

图2.1H形桥式电路

例如，当三极管Q1与Q3同时导通时，电流从电源正极通过Q1和Q3回到电源的负极。

这样，电机将会顺时针转动，如图2.2所示。

当三极管Q2与Q4同时导通，电流从电源正极通过Q4和Q2回到电源的负极。

这样，电机将会逆时针转动，如图2.3所示。

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图2.2电机顺时针转动图2.3电机逆时针转动

双桥式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点[2]：

A.电流一定连续。

B.可使电动机在四象限运行。

C.电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。

D.低速平稳性好，系统的调速范围可达1:

2000左右。

E.低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍旧较宽，有利于保证器件的可靠导通。

双极式控制方式的不足之处是：

在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

即使使用单极控制方式，使部分器件处于常通或者常断状态，以减少开关次数和开关损耗以及提高可靠性，但是系统的静、动态性能也会受到降低。

（二）方案二：

选择L298芯片组成的电机驱动电路。

L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚的Multiwatt封装的L298N内部含四通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机或者一个步进电机。

L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。

其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是由于L298可接受标准的TTL逻辑电平信号，所以其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。

当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。

L298具有体积小，控制方便的特点。

在实际电路中，由于可逆PWM变换器的特殊性，要求四个三极管的性能基本一致，在实际中很难实现，而且用分离元件构建桥式可逆PWM变换器比较复杂。

所以在实际应用中，本设计选用了L298组成的驱动电路。

2.2液晶显示模块的选择

LCD显示模块是一种被动显示器，具有功耗低，显示信息大，寿命长和抗干扰能力强等优点，在低功耗的单片机系统中得到大量使用。

液晶显示模块和键盘输入模块作为便携式仪表的通用器件，在单片机系统的开发过程中也可以作为常用的程序和电路模块进行整体设计。

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示黑色，这样即可显示出图形。

在单片机系统中使用液晶显示模块作为输出器件有以下优点:

（1）显示质量高：

液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器画质高而且不会闪烁。

（2）数字式接口：

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单。

（3）体积小，重量轻。

（4）功率消耗小：

液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因此耗电量比其它显示器要小得多。

2.3按键电路的选择

键盘是人与计算机联系的重要手段，借此可向计算机系统输入（常称键入）程序、控制程序的执行走向等，所以使用非常广泛。

单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。

编码键盘本身除了按键之外，还包括产生按键的硬件电路。

只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。

其缺点是使用的硬件较为复杂。

因此在微型计算机系统中使用编码键盘不多。

在非编码键盘中，按键的作用只是简单地实现接点的接通或者断开，因此必须有相应的程序与之配合才能工作，即非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码等问题。

非编码键盘几乎不需要什么附加的硬件电路，目前，在微型计算机系统中获得较普遍的采用。

非编码的独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。

每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的状态。

独立式按键的键盘扫描程序非常简单，只需检测每根I/O线的“0”、“1”状态。

所以本设计选用非编码键盘中的独立式按键。

2.4处理器的选择

2.4.1单片机的特点

单片机主要有如下特点[5]：

1.有优异的性能价格比。

2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。

另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

3.制功能强。

为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。

单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

5.外部总线增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

2.4.2单片机的选择

（一）方案一：

选择80C51作为本系统的控制芯片。

80C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上[2]。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

（二）方案二：

选择STC12C5A60S2作为本系统的控制芯片。

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。

增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。

由于STC12C5A60S2具有以下优点：

1.无法解密，采用宏晶最新第六代加密技术

2.超强抗干扰，整机轻松通过2万伏经典测试

3.速度快、1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI

4.超低功耗

5.输入/输出口多，做多有44个I/O口，A/D做按键扫描还可以节省很多I/O

6.在系统可编程，无需编程器，无需仿真器，可远程升级

7.内部集成高可靠复位电路，外部复位电路可彻底省掉，当然也可以继续用外部复位电路。

所以，本设计最终选择方案二，以STC12C5A60S2作为本系统的控制芯片。

2.5测速方案的选择

电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理[1]。

根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列,测量转速和判别其转动方向。

根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有:

M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率P周期法）。

方案一：

M法（测频法）

选择M法测速。

M法是在规定的检测时间内,通过检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。

虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性,因此M法测量转速在极端情况下会产生士1个转速脉冲的误差。

当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时,才有较高的测量精度,因此M法适合于高速测量。

方案二：

T法（测周期法）

选择T法测速。

T法是通过测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。

相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。

在极端情况下,时间的测量会产生士1个高频脉冲周期,因此T法在被测转速较低（相邻两个转速脉冲信号时间较大）时,才有较高的测量精度,所以T法适合于低速测量。

方案三：

M/T法（频率P周期法）

选择M/T法测速。

M/T法是通过同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。

由于同时对两种脉冲信号进行计数,因此只要“同时性”处理得当,M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。

由于本系统对测速精度要求较高，且M/T发测速在高速和低速都具有较高的测速精度。

所以最终选择方案三，以M/T法方式进行测速。

2.6系统总体设计方案

本系统选用了三菱直流电机，额定电压12V，额定电流1A，空载转速3600r/min，负载转速2600r/min。

本系统主要包括单片机、液晶显示、电机驱动、电机、速度检测与按键控制各部分。

如图2.4所示。

速度检测模块通过外部中断接口，将采集到的速度信息以脉冲的形式发送到单片机，单片机通过速度采集程序计算出当前速度，并在液晶上显示。

本系统有6个独立式按键，分别控制电机的正反转、电机速度的加减、电机的启动和急停。

通过按键设定出电机的转速与方向，控制单元将当前速度与设定速度相比较，然后输出相应的PWM脉冲到由L298组成的电动机驱动电路，实现电动机转速与速度的控制。

电动机的当前速度与设定速度通过液晶屏显示出来。

图2.4系统框图

第三章硬件设计

3.1单片机最小系统

3.1.1STC12C5A60S2介绍

STC12C5A60S2系列主要性能：

●高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8~12倍

●宽电压：

5.5~3.3V

●增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率<12MHz时，无需此功能）

●增加外部掉电检测电路，可在掉电时，即时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM

●低功耗设计：

空闲模式，（可由任意一个中断唤醒）

●低功耗设计：

掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒

●工作频率：

0~35MHz，相当于普通8051:

0~420MHz

●时钟：

外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置

●8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节内Flash程序存储器，擦写数十万次以上

●1280字节片内RAM数据存储器

●芯片内EEPROM功能，擦写数十万次以上

●ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器

●8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用

●2通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），也可以用来实现2个定时器或者2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）

●4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器

●可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟，BRT在P1.0输出时钟

●硬件看门狗（WDT）

●高速SPI串行通信端口

●全双工异步串行口（UART），兼容普通8051的串口

●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令

●通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）

●可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。

每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但是整个芯片最大不得超过100mA

3.3.2单片机最小系统

STC12C5A60S2最小系统包括复位电路、晶振电路、电源和地[4]。

具体电路如图3.2所示。

该最小系统的应用特点：

1.有可供用户使用的大量I/O口线。

2.内部存储器容量有限。

3.应用系统开发具有特殊性。

1.时钟电路

STC1205A60S2虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。

80C51单片机的时钟产生方法有两种。

内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。

振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。

电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，在本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择30pF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。

为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。

2.复位电路

复位电路的作用

在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：

这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。

基本的复位方式

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

STC12C5A60S2单片机的复位是由外部的手动复位电路来实现的。

即是人为的在复位输入端RST上加入高电平。

此处采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则VCC的5V电平就会直接加到RST端。

即使人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，保证能满足复位的时间要求。

图3.2单片机最小系统

3.2电源电路

电源选用7805系列芯片构成一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。

7805系列能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时输出电流可达1A。

IC采用集成稳压器7805，C6、C8分别为输入端和输出端滤波电容，C7瓷片电容用于改善纹波特性，抑制输入的过电压；由于本系统所需+5V电流大，故在7805背面加上散热器，增加散热性。

在J6处输入+12V电压，在J8处得到+5V电压。

电源电路如图3.3所示。

7805的主要特点：

输出电流可达：

1A

输出电压：

5V

过热保护

短路保护

输出晶体管SOA保护

极限值（T=25℃）

输入电压（5~18V）……最高可达35V　

热阻（接到壳）……5℃/W

热阻（接到空气）……65℃/W

工作温度范围……0~125℃

贮存温度范围……-65~150℃

图3.3电源电路

电源的抗干扰设计，由于系统包含数字器件、模拟器件以及高频器件。

系统在工作中，数字器件会在电源和地上引入大量的脉冲干扰。

解决方案是通过对数字地与模拟地实现布线隔离。

如图3.4所示。

图3.4数字地与模拟地布线隔离

3.3显示电路

显示电路显示电机当前转速与设定转速，对电机转速的显示，为使用者提供了更为直观的界面。

用户可以根据液晶显示屏上的数字，调整电机的转速，为调速提供了方便。

从显示数字的稳定程度，也可以判断电机转速的稳定性。

若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；与之相反，显示数字不停地变化，则说明电机工作非常不稳定。

本系统选用YBDA-A024CN02作为系统的显示液晶。

该液晶接口为8位的数据口，5个控制端，该液晶控制有多种模块，通过配置相关寄存器进行操作，比如窗口操作，黑白显示操作，读取液晶某一像素点值，常规操作为在屏上一位置点写一个颜色值比如说：

0Xffff,全白，0X000全黑。

YBDA-A024CN02的主要参数：

●分辨率：

65535色

●像素点：

240*320

●显示尺寸：

48（H）×35.685（V）

●亮度:

250LUX

●电压输入：

DC5~12V 2W

●工作温度：

-10℃—+60℃

●存储温度：

-25℃—+70℃

如图，该液晶有8位数据口，5个控制端。

8位数据口分别连接到单片机的P0.0到P0.7的8个I/O口上。

P1.0、P1.1、P1.2、P1.6、P1.7分别控制液晶的WR、RD、CS、RS、RESET5个控制端。

如图3.5所示。

图3.5显示电路

3.4按键电路

由于本设计只用到6个按键，所以采用独立式按键设计。

在按键电路中，P2.0~P2.5分别连接到6个按键。

6个按键与I/O口对应关系如表3.1。

当某个按键