1、直流电机PWM调速与控制分析方案 综 合 设 计 报 告 单 位： 自动化学院 学生姓名： 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 0820801 学 号： 指导老师： 成 绩： 设计时间： 2018 年 12 月 重庆邮电大学自动化学院制 1 / 24 一、题目 直流电机调速与控制系统设计。 二、技术要求 设计直流电机调速与控制系统，要求如下： 1、学习直流电机调速与控制的基本原理； 2、了解直流电机速度脉冲检测原理； 3、利用51单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路； 4、使用C语言编写控制程序，通过实时串口能够完成和上位机的通信； 5、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给
2、出完整的设计流程图。 6、要求电机能实现正反转控制； 7、系统具有实时显示电机速度功能； 8、电机的设定速度由电位器输入； 9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。 三、给定条件 1、直流电机驱动原理，单片机原理及接口技术等参考资料； 2、电阻、电容等各种分离元件、IC 、直流电机、电源等； 3、STC12C5A60S2单片机、 LM298以及PC机； 四、设计 1. 确定总体方案； 2. 画出系统结构图； 3. 选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路，设计硬件电路； 4. 设计串口及通信程序，完成和上位机的通信； 5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告； 2 / 24 直流电机调
3、速与控制 摘要：当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品 式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n的控制方法有三种，主要以调压调速为主。 本控制器主要通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用了定频调脉宽方式的PWM控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PW
4、M脉冲的软件实现上比较方便。 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高。理想空载转速相同时,闭环系统的静差率额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多。当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。 转速设定值 偏差 转速输出 + 调节器 驱动电路直流电机 - 测速装置 图 1 直流电机速度闭环控制方案 4 / 24 二、 系统硬件设计 1系统总体设计框图 本系统采用STC12C5A60S作为控制核心，用上位机显
5、示设定转速和测量转速以及控制电机。采用LM298驱动芯片作为本系统的驱动电路和用槽型光耦GK105作为该系统的测量电路。框图如2所示。 LM29时钟电 驱动 UAR串STC12C5A60电 直流电单片机上位机显与控 管电 电源模块 图2直流电机控制系统总体框图 2模块电路及功能介绍 2.1单片机最小系统电路 单片机主要擅长系统控制，而不适合做复杂的数据处理，在设计单片机最小系统时我们选用STC12C5A60S2位DIP-40封装的单片机作为MCU。STC12C5A60S2芯片是有宏晶科技生产的单时钟./机器周期*60 R/min 速度V: 每秒采样的脉冲个数N: 光耦管信号圈GK105图7 电
6、机转1 速度脉冲信号调理电路2.3.2给电机加电让其带动编码盘旋转，将光电对管靠近编码盘，用示波器观测输出脉冲信号的有无与好坏。信号调理电路主。为了提高3.3V8所示，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于要利用LM324运算放大器设计的比较器，如图 测速的精度，在信号后级添加比较器调理信号为标准的方波，调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。 LM324的信号调理电路图 8 基于 2.4串口电路设计单电源供电。其内部结构基本可分三标准串口设计的接口电路，使用+5VMAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232RS-两个电源，提供给+12V和-12V只电容构成。功能是产生、
7、5、6脚和4、个部分：第一部分是电荷泵电路，由1、2、34脚1314脚构成两个数据通道。其中、12、13、117232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道，由、8、9、10、7）、10）、脚T2IN8）为第一数据通道。脚R2IN）、9脚R2OUT141112R1IN）、脚R1OUT）、脚T1IN）、脚T1OUT插头；送到电脑DB9T1OUTRS-232数据从、T2OUTT2INTTL/CMOS脚T2OUT）为第二数据通道。数据从T1IN、输入转换成16、15输出。第三部分是供电，脚GNDR2OUTR1OUTTTL/CMOSR2INR1INRS-232DB9插头的数据从、输入转换成数据后从、
8、9VCC+5V脚）。电路如图所示。8 / 24 1RS-23262U2711314TXDT1_INT1_OU1RXT2_IT2_OU1+51GNR1_IR1_OUDBR2_OUR2_IC1C21C1VC10uf/5010uf/50C1VC2VC21C2C2GN10uf/5010uf/50MAX23 9 串口电路图图 2.5系统电源设计作为输出电压可变的集成三端稳压LM317的电源输入，因此我们选用了LM317作为电源芯片。本系统要求有5V和67V 为电源滤波电路。所示。图11块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。其应用电路如图10 10 3.3V稳压电路图 滤波电路图11 R25K的可调电
9、位器。通过调节为Vo=1.251+R2/R1）。本系统中取R1240n,R2取稳压电源的输出电压可用下式计算，。在应用中，为了电路的稳定工Vo=1.25V37V的阻值大小，进而可以改变输出电压的大小，实现电压可调，其可调范围是 317作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把烧坏。9 / 24 2.6电机设定速度输入电路 本系统采用了简单的电位器，通过电位器将5V电源信号分压在经过单片机A/D端口输入到CPU处理，实现电机速度手动的可调，其电路如图12所示。 图12 电位器速度设置电路 三、 系统软件设计 本程序主要分为6大块，主程序、A/D转换处理程序、PW
10、M输出程序、串口显示与电机状态控制程序、定时器0的中断服务程序，串口中断服务程序。主程序主要做了系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。配置STC12C5A60S2定时器0为定时器方式2、50ms计数器中断，累计20次定时器0中断为1秒，此时TL1即光电对管输入的脉冲频率，同时在此一秒内触发AD采集一次电源电压Voltage送入内存并通过运算转换成设定的速度值。PC终端的显示也是没隔一秒刷新一次。 配置STC12C5A60S2串行口1为方式2、独立波特率发生器9600、允许接收中断。当串口1接收到PC机数据转入中断处理程序，检测接收到的数据以此来区分数据是属于哪种控制信号。 函数实时更改PWM
11、定时器CCAP1L、）脉宽调制STC12C5A60S2PWM为8Pwm位、无中断。主程序中循环执行配置CCAP1H的值，实现对电机转速的控制。 1主程序 主程序主要功能为系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。流程图如图13所示 10 / 24 开系统初始口扫I/计时标1值采速度A/串口发送数输PW结束 系统主程序流程图图13 串口中断发送程序2机）之间的串口通信，该通信主要用于测速模块的调试以及在测量转速PC本系统的串口通信指的是单片机与上位机机），以便观察电机转动情况，或者获得我们所需要机）接收数据或者能将数据发回给上位机PC时，单片机能从上位机/32 11 / 24 进入发送中1byt数
12、发字节数据发送完发送第二字节数字节数据发送完中断返 14 串口发送程序流程图图 串口中断接收程序3滑动方式来接收通信的同接收窗口、16bits1bit上位机控制单元解扩出 1bit数据后，产生一次中断。接收时首先采用一个字节的方式进行截取，得到传送的有效数据，同时将得到的8bits、0xAF，帧头接收成功后，后续数据按每0x09步帧头有效数据存储在缓冲单元中；接收过程中，按有关的通信协议进行地址判别、长度接收、校验计算。地址相同的模块对符合 15通信协议的数据进行应答，转入发送态。程序流程图如图所示。12 / 24 进入接收中断清零接收标字节数据接收完重组数中断返 串口接收程序流程图图15 转
13、换程序4A/D 所示。转换程序主要用于电机速度的输入模拟信号的采集与转换。程序流程图如图16A/D 启动指定通道 延时 否 转换结束？ 是 返回转换结果 转换程序流程图图16A/D 输出程序PWM5含形状和幅值），程序主要用于控制脉冲宽度调制技术，即通过一系列脉冲的宽度调制来等效地获得所需的波形PWM。 speed_poly1=p(1*votlage_V+p(2。 q=polyfit(votlage_D,speed,1。 speed_poly2=q(1.*votlage_D+q(2。 figure(1 plot(votlage_V,speed,or,votlage_V,speed_poly1。
14、grid on title(电压V-转速r/s figure(2 plot(votlage_D,speed,or,votlage_D,speed_poly2。grid on title(电压D-转速r/s 拟合曲线如图21所示： 16 / 24 图21 电压速度曲线 如图21所示，电机电压与转速基本成正比关系，所以可以按最小二乘法进行线性拟合，得到电压与转速关系式为： 1）电压为实型，转速=34.5178*电压V -28.91，其中a=34.5178，b=-28.91）； 2）电压为整型，转速=0.67373*电压D-28.8715，其中a=0.67373 b=-28.8715）； 上面两个关
15、系式将作为电机控制的基本数学模型，有软件算法实现电机输出转速对输入电压的跟踪。 2.2 不同转速设定值下电机对应的输出转速及误差如表1 输入转输出转 绝对误输入转输出转 绝对误差 速 速 速 速 差 -1 -4 13127680 -2 -2 19781780 3 2 19812283 2 -2 25892787 0 -4 33933389 2 -4 40974293 3 2 42459694 -1 0 49489999 -2 -1 5553102101 -1 -1 5910458103 0 1 6262106105 2 -3 6310965112 -2 0 7169111111 -3 1 76
16、11373112 -3 0 119125125116 2 -2 117130128119 -4 2 126122133131 表 1 电机转速误差表17 / 24 23 电机输出转速误差曲线 图 23 电机输出转速相对电压绝对误差曲线 图 24 电机输出转速相对电压的相对误差曲线 24 系统性能分析 对上面图23、图24两个误差曲线分析可以得出以下结论， 一方面，当电机两端的电压在1.5V4.8V范围了变化时，电机的转速变化范围在12R/S134R/S即720R/mint8040R/mint）之间变化，当电机两端的电压在1.5V以下时，电机无法驱动，为电机的死区电压，电机转速变化基本符合实际情
17、况。 另一方面，由于本系统自身设计本省存在着多种缺陷，所以测式结果产生了一定的误差，电机转速的绝对误差基本在6V以下，其相对误差根据两端电压范围的不同呈现不同的趋势，当电压在1.5V1.8V左右，即电机转速50R/S时，电机输出转速的相对误差16%，当电机两端电压在1.8V4.8V左右，即电机转速60R/S时，电机输出转速的相对误差8%。所以系统综合性能基本能满足设计要求。 18 / 24 五、 设计心得 课程设计是培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。 本次的课程设计是基于运用所学单片机技术、传感检测技术、电
18、机驱动技术等方面的知识，设计电机调速与控制系统，很好的结合了当今工业直流电机方面的实际应用，相对于前几学期的课程设计，这次的题目综合性更高、设计难度更大、实用性更强，是对我们所学专业知识如单片机原理及接口技术、传感器与检测、C语言程序设计、直流电机驱动原理等课程知识的综合检验与应用，很好的锻炼了我们从单一模块到系统设计与调试能力的转变与提高，同时也让增强了我们直流电机控制原理与应用有了更深的认识和体会。 回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，我们小组都付出了很多努力，也收获了很多，在此次设计中不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能做出实际的有用的东西，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计还锻炼了我们的团队合作精神，只有大家在
