实验4PWM控制直流电机实验.docx
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实验4PWM控制直流电机实验
实验4PWM控制直流电机实验
PWM控制直流电机实验
实验目的
1、熟悉PWM调制的原理和运用。
2、熟悉直流电机的工作原理。
3、能够读懂和编写直流电机的控制程序。
实验器材:
电脑。
数字综合实验系统HS-EDA5.1试验箱。
USB-BLASTER。
USB线
ISP下载线
实验原理:
运动控制系统是以机械运动的驱动设备?
?
电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子器件及功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
这类系统控制电机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动控制的运动要求。
可以看出，控制技术的发展是通过电机实现系统的要求，电机的进步带来了对驱动和控制的要求。
电机的发展和控制、驱动技术的不断成熟，使运动控制经历了不同的发展阶段。
1、直流电机的工作原理:
直流电机的原理图如下:
这是分析直流电机的物理模型图。
其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极;固定部分还有电刷。
转动部分有环形铁心和
绕在环形铁心上的绕组。
（其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的
方向而设置的）。
上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对
直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。
定子与转子之
间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末
端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片
构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向
片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷
与外电路接通。
当给电刷加一直流电压，绕组线圈中就有电流流过，由电磁力定律可知导体会受到
电磁力作用。
导体处于N极下与电刷A接触电流向里流，产生电磁力矩为逆时针;导体
处于S极下与电刷B接触电流向外流，产生电磁力矩仍为逆时针。
转子在该电磁力矩作
用下开始旋转。
2、PWM调制原理
脉冲宽度调节（PWM）是英文PulseWidthModulation的缩写，简称脉宽调制。
它是利
用微控制器输出的数字信号来控制模拟电路的ON或OFF，广泛应用于测量，通信，功
率控制与变换等许多领域。
PWM信号只有两种状态，高电平和低电平，对于一个给定的周期来说，高电平所占的
时间和总的一个周期时间之比叫做占空比，电机的速度与施加的平均电压成正比，输出
转矩则与电流成正比。
直流电机高效运行的最常见方法是施加一个PWM（脉宽调制）
方波，其通-断比率对应于所需速度。
即直流电机的转速正比于在一个周期内PWM的电
压有效值。
电机起到一个低通滤波器作用，将PWM信号转换为有效直流电平。
PWM驱
动信号很常用，因为使用微处理器的控制器很容易产生PWM信号。
虽然用精确的脉冲
宽度可以调节电机的速度，实际应用中的PWM频率却是可变的。
驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是:
接受电动机的启动、停止、制
动信号，以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号，用来
控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号，用来控制
和调整转速;提供保护和显示等等。
3、直流电机的H型桥式驱动电路:
如图1所示，全桥式驱动电路的4只开关管
都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4为
另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组
必须关断。
当S1、S2导通时，S3、S4关断，
电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或
反转制动;当S3、S4导通时，S1、S2关断，
电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。
实验内容:
实验原理图如下:
J24跳线闭合则PWM信号输入，9013是直流电机的驱动管，当9013的基极为高电平时，三极管导通，驱动直流电机工作，当基极电压为低电平时，三极管截止，由于惯性，直流电机减速停止，重复一个周期内的高低电平就能够让直流电机一直转动。
LED1为红外发射管，D1为红外接收，当D1接收到信号时导通，如果闭合J29，SD5就会输出一个低电平。
直流电机的转盘上有一个缺口，当缺口位于对管之间时，SD5为低，可以通过单位时间内对SD5上低电平数目的计数来确定直流电机的速度，也可以通过测量低电平的宽度来确定。
实验1:
测试直流电机速度状态:
实验的程序流程图如下:
函数的接口说明:
定时器初始化程序:
voidinit_timer（）;
键盘扫描程序:
unsignedcharkey_scan（）;返回的是unsignedchar类型
定时器中断函数:
voidtimer0（）interrupt1硬件说明:
在以LCD_1602.POF为驱动下，可以使用两个按键为矩阵键盘中K1和K5;K1、K5对应为单片机的P3^2和P3^3。
SD4为单片机的P0^4。
实验步骤:
1、将PLD程序下载到FPGA配置芯片EPCS4中，PLD的驱动程序的位置在
\PWM控制直流电机实验\PWM控制直流电机实验驱动\LCD1602.POF。
1）运行QuartusII8.0，单击tools，弹出下拉菜单，单击programmer。
打开
程序下载界面。
2）单击hardware，在currentlyselectedhardware栏中选择
USB-Blaster[USB-0]，若没有，单击AddHardware。
再在currently
selectedhardware栏选择。
3）单击Addfile加载PLD驱动程序，选择LCD1602.POF文件，单击start，
开始下载PLD驱动程序。
2、下载直流电机程序到单片机中，
1）运行KeiluVision2，新建一个工程，保存后会弹出CPU的选择窗口，
在窗口中选择Atmel下拉中的AT89S52，确定。
在工程中新建一个
文件，保存为*.c的文件格式，在工程的sourcegroup中单击右键选
择增加文件到工程中。
选择文件*.c。
2）根据实验流程图和实验提供的实验代码，编写程序，编译。
3）编译工程，生成*.hex文件。
单击optionsfortarget，选择output，将createhex对应的选项打钩。
然后单击rebuiltalltargetforfiles，连接生成*.hex文件
4）运行ISPlay，在文件中增加*.hex文件。
将ISP下载线练接到IPSJ15。
单击autorun，将程序烧入单片机。
3、闭合J24，（J24位于直流电机旁）按下K5和K1键的时候描述直流电机的转动状态。
记录于表4-1。
表4-1
操作直流电机状态
按下K1键
按下K5键
4、用示波器DS1120E观察单片机P0^4引脚的波形，步骤:
1）将DS1120E的负极夹在J7B的第40个排针或第1个排针，将正极接触
单片机P0^4。
按下单片机的复位键，画出波形图。
测出各个参数。
记录
于表4-2中。
表4-2
波形
正脉宽
负脉宽
峰峰值
周期
频率
占空比
2）连续按下K5键，调整波形，记录K5键的按下的次数和波形参数于表4-3
中
表4-3
波形
K5键按下的次数（3~5）正脉宽负脉宽峰峰值周期频率占空比
3）连续按下K1键，调整波形，记录K3键的按下的次数和波形参数于表4-4
中，
表4-4
波形
K1键按下的次数（3~5）正脉宽负脉宽峰峰值周期频率占空比实验2:
设计实验
根据直流电机的工作原理和PWM调制原理，设计一个驱动电路，功能为让
直流电机正转、反转、加速和减速。
并编程实现。
思考题:
结合程序代码分析下面问题:
1、描述PWM控制直流电机的实验中按键扫描函数是怎么识别按键是否按下的。
2、分析按键次数和PWM波形的占空比之间的关系。
在键盘扫描程序中加入for（i=10;i--;i>0）;
语句的目的是什么,
3、能在该电路中通过编程实现直流电机的反转吗,若能，为什么,若不能，为什么,4、在主函数中，若EA的值为0，会有什么后果。
5、结合实验的数据，简述PWM波形和直流电机速度之间的关系。
注意事项:
1、USB下载器为USB-BLASTER，不是TSD510USB2.0，下载器的一端接电脑，另一
端接FPGA的JTAG，JTAG注释为JTAGCONFIGFORFPGA。
2、给单片机下载程序时S8拨码开关要拨到ON的位置，J23断开。
报告要求:
1、报告应该包括PWM控制直流电机程序代码、实验数据及设计实验的设计电路图。
2、结合程序和原理图回答思考题。
3、根据实验程序的代码，分析定时器产生的占空比和实验测出的占空比之间的误差产生原因。
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