单片机控制双直流电机系统的设计与实现Word格式文档下载.docx
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第一章绪论
1.1直流电机的发展
直流电机问世已有一百四十多年的历史。
在设计和制造技术上的进步,新材料、新技术的应用,整流电源的普及,促进了一般工业用直流电机的用途不断扩大,品种繁多。
从小至数瓦,大到万余千瓦,正广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、船舶、机床制造、纺织印染等各个部门中,特别是近几年电子计算技术已广泛应用当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:
如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。
为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制:
为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。
电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。
各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。
三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
随着微控制器尤其是脉宽调制PWM专门控制芯片的飞速发展,其对电机控制方面的应用起了很重要的作用,为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。
本文对基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流PWM调速系统的数学模型。
用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。
在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。
在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。
该方案以驱动芯片与一些外围电路。
通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。
直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种:
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等。
特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机—电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机—电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机—电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（1000）高10倍;
在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。
因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。
随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。
计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。
1.2课题研究的目的及意义
直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使用。
常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工作频率受电源频率的限制,难以满足高精度的调速要求，不利于广泛推广。
如何才能使电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。
1.3本论文的主要工作和论文结构
本论文主要从硬件和软件两方面论述温度控制系统的结构、组成和控制算法。
基本结构如下：
第一章绪论。
主要介绍计算机控制系统的基本情况和本次毕业设计的主要任务。
第二章系统方案设计。
叙述了系统方案的确定和系统总体结构。
第三章系统硬件设计。
叙述了系统硬件的基本结构和组成。
第四章硬件电路板的制作。
叙述了系统软件的若干主要模块的设计，重点叙述了单片机程序设计。
第五章系统软硬件调试。
叙述了系统硬软件的调试方法和过程。
第二章系统方案设计
主要内容：
设计基于单片机的直流电机控制系统，采用PWM控制技术，利用双桥驱动控制直流电机的起停及调速问题，设计两个直流电机的硬件电路与控制程序。
目标：
通过键盘控制两个电机的起停、调速。
2.1电机调速控制模块：
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；
分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；
H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；
电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。
2.2PWM调速工作方式：
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。
3、PWM调脉宽方式：
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，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PWM脉冲的软件实现上比较方便。
4、PWM软件实现方式：
采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。
2.3PWM技术
PWM（PulseWidthModulation）控制脉冲宽度调制技术,
通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
（1）理论基础
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。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异，如图2.1所示。
图2.1pwm原理面积相同形状不同冲量
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等，如图2.2所示；
用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化，如图2.2所示。
图2.2pwm信号替代
2.4PWM的参数
1）占空比：
输出的PWM中，高电平保持的时间与陔PWM的时钟周期
2）分辨率：
占空比最小能达到的值。
如8位的PWM，理论上
分辨率就是1：
255（单斜率），16位的PWM分辨率就是1：
65535（单
斜率）。
3）频率：
PWM输出频率为T／C的时基频率／2n，rl为脉宽调制方式的位数，即8或16。
4）双斜率惮斜率。
设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到8O这就是单斜率。
设一个PWM从0计数到80，之后是从8O计数到0这
是双斜率。
双斜率的计数时间多了一倍，PWM输出的频率就慢了一半，
分辨率却是l：
（8O4-80）一1：
160，提高了一倍。
假设PWM是单斜率，设定最高计数是8O，我们再设定一个比较值是lO，那么T／C从0计数到l0时（此时计数器继续在计数，直到计数达到到设定值80），单片机就会根据你的设定，控制某个I／O口在这个时候是输出1还是输出0，这就是PWM的基本原理。
2.5直流电机的能量转换和特性曲线
直流电机将电能
，（电流I和电压u）转化为机械能
（速度n。
和转矩M）。
其中损耗可分为摩擦损耗和热损耗（热损耗是由于线圈电阻R产生）。
余下的转化为机械能几
，如图2.1所示。
因此电机的功率守恒可表述为:
（2.1）
更详细的叙述为：
（2.2）
在这能量转化过程中，有两个特性参数是至关重要的，他们是速度常数
。
和转矩常数
速度常数是指速度n和线圈感应电压“树之间的关系，是指在忽略摩擦的情况下的每个单位电压下的速度变化。
与速度是成正比的，公式如下:
（2.3）
转矩常数所联系的是机械转矩M和电流I之间的关系，是指转矩和有效电流之比。
公式如下:
（2.4）
速度常数
有如下关系:
（2.5）
如果用转矩M和转矩常数
来表示电流，可得如下关系：
（2.6）
考虑到
和
之间的关系，我们可将上式进一步化为:
（2.7）
上式便是直流电机的转速、转矩、电阻、转矩常数和速度常数之间的关系。
这里转矩单位是N.m;
电流单位是A;
速度单位是rpm;
电压单位是V。
直流电机可以运行在额定范围内的任何电压下，速度一转矩曲线表述的是在一恒定电压U下电机的机械表现，该曲线可由两点法给出:
空载转速n。
和堵转转矩
（空载转速:
电机在额定电压、空载的情况下的转速;
堵转转矩:
它是电机在堵转条件下的转矩值，也叫起动转矩），如图所示。
空载转速与堵转转矩将随着给定电压的改变而成线性关系。
它相当于速度一转矩曲线在特性曲线上平移，如图2.2所示。
空载转速与电压有如下关系:
（2.8）
速度一转矩曲线走势是由斜率来表述的，与电压无关要，它是一项体现电机性能的重参数，如下关系:
（2.9）
直流电机的速度与转矩间的关系可用下式表示:
（2.10）
图2.3转矩转速线性关系
第三章硬件的设计
3.1引言
本系统在设计硬件电路时主要从以下原则出发:
（l）硬件电路设计与软件设计相结合优化硬件电路。
一些由硬件实现的功能可用软件来实现，反过来一些由软件实现的功能也可用硬件来完成。
用软件来实现硬件的功能时，其响应时间比用硬件实现长，还要占用CPU时间。
但是用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高硬件电路的可靠性，还可降低成本。
因此在本系统的设计过程中，在满足可行性和实时性的前提下尽可能地将硬件功能用软件来实现。
（2）可靠性及抗干扰设计。
根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长，而且所用芯片数量越少，地址、数据总线在电路板上受干扰的可能性就越少，因此单片机基本系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。
（3）灵活的功能扩展。
一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善，需要进行功能升级。
功能扩展时系统应该在原有设计不需要很大改变的情况下，修改软件和少量硬件甚至不修改硬件就能完成。
功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。
根据系统要求及上面几个硬件设计原则，系统以单片机PIC18F458为中央处理单元，由键盘输入电路，LCD显示，放大器连接电路等组成。
下面对主要的电路设计做详细介绍。
3.2双桥驱动器L298N
L298是双电源大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A。
其内部具有2个完全相同的PWM功率放大回路，其内部结构如图3所示。
L298N是一种常用的电机驱动芯片，一片L298N即可驱动两个直流电机或一个步进电机。
驱动两个直流电机的连接方式，如图4所示。
设所驱动的直流电机额定电压为12V。
图3.1L298N内部结构图
图3.2单片机驱动两个直流电机原理图
3.3L298N芯片介绍
L298N芯片的介绍
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片的主要特点是:
工作电压高，最高工作电压可达46V;
输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；
采用标准TTL逻辑电平信号控制；
具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；
有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；
可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
3.1.1L298的引脚功能
L298芯片的引脚图如下图3.3，其引脚功能见表3.3
图3.3L298引脚图
表3.1L298引脚功能表
引脚
符号
功能
1
15
SENSINGA
SENSINGB
此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号
2
3
OUT1
OUT2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载
4
Vs
电机驱动电源输入端
5
7
IN1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENABLEA
ENABLEB
使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；
低电平时全桥式驱动器禁止工作。
8
GND
接地端，芯片本身的散热片与8脚相通
9
Vss
逻辑控制部分的电源输人端口
10
12
IN3
IN4
输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关
13
14
OUT3
OUT4
此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载
L298的运行参数
表3.2L198的运行参数
参数
测试环境
最小值
典型值
最大值
单位
驱动电源电压
持续工作时
2.5
—
46
V
逻辑电源电压
4.5
输入低电平电压
ViL
-0.3
1.5
输入高电平电压
ViH
2.3
使能端低电平电压
Ven=L
使能端高电平电压
Ven=H
全桥式驱动器总的
电压降（每一路）
VcE〔sat）
IL=1A
IL=2A
1.8
3.2
4.9
检测电压1，15脚
Vsen
-1
L298的逻辑控制
L298的逻辑控制见如下表3.3。
其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；
L为低电平，H为高电平，※为不管是低电平还是高电平。
表3.3
L298对直流电机控制的逻辑真值表
输入
输出
C=H；
D=L
正转
C=L；
D=H
反转
C=D
制动
C=※；
D=※
没有输出，电机不工作
L298有Mutiwatt15和PowerSO20两种封装
MW.15的1、15和PowerSO的2、19用法一样，SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地
（MW.15）2、3=（PowerSO）4、5,1Y1、1Y2输出端，与对A1与1Y1）同逻辑4=6，VS驱动电压，最小值须比输入的低电平电压高2.5v
5、7=7、9，1A1、1A2输入端，TTL电平兼容
6、11=8、14，1EN、2EN使能端，低电平禁止输出
8=1、10、11、20，GND地9=12，Vss逻辑电源，4.5--7V
10、12=13、15，2A1、2A2输入端，TTL电平兼容
13、14=16、17，2Y1、2Y2输出端
------=3、18，NC，无连接
图3.4L298N芯片图
第四章硬件电路板的制作
4.1引言
电路设计的最终目的是制作电子产品，而电子产品的物理结构是通过印制电路板来实现的。
因此在电路原理图完成后，是印制电路板（PCB）的设计，其质量直接影响着电子产品的性能。
根据前一章的硬件原理，本章以AltiumDesignerSummer09为设计工具，分析和探讨PCB设计中的基本原则和制作流程。
4.
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