PWM直流电机调速的设计方法Word格式.docx

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4.2.1主程序设计.............................................................................14

4.2.2定时中断子程序设计.................................................................15

附录A..................................................................................................23

附录B..................................................................................................24

附录C..................................................................................................30

第1章绪论

1.1选题背景和目的

直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation-简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展,PWM技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。

而MCS-51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM输出功能，本文采用定时器配合软件的方法实现了MCS-51

单片机的PWM输出调速功能,这对精度要求不高的场合是非常实用的。

随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。

为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。

对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM调速的方法。

1.2发展现况

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。

从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。

由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB 

ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；

而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。

为求得改善，随机PWM方法应运而生。

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；

别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。

1.3研究方法

本次设计是利用单片机8051设计的直流电机pwm调速，然后详细设计了基于MCS-51单片机的直流小电机脉宽调速的实现方法，在设计过程中，可以充分利用8031及其最小应用系统，通过软件程序和硬件来实现对直流电机进行调速

第2章方案论证

2.1总体方案论证

通过翻阅资料和网上查找，拟定二套设计方案：

图2.1结构硬件原理图

由结构原理图可以看出它主要有以下几部分构成：

单片机最小系统的应用、由DAC0832芯片组成的D/A转换电路、电源电路、功放电路等。

那么个组成电路的功能如下：

在8051单片机最小应用系统中，P0口作8位数据线/低8位地址总线的复用口直接与各芯片的8根数据线相连，而P3口有第二功能作用。

他们与其他外部元件相连接构成单片机的最小系统。

D/A转换电路主要是将单片机产生的波形从数字形式转化为模拟形式，并把输出电流转换成输出电压，并完成对输出电压峰值的控制。

由一个DAC0832和两个运放组成，DAC0832将数字量转换成模拟量，而运放则是将输出电流转换成输出电压，并且将单极性输出转换成双极性输出。

电源电路主要是由7805芯片组成的电源电路。

主要功能是给单片机最小系统以及D/A转换电路供电，外接电源为220伏的交流电。

功放电路主要由运算放大芯片组成，主要作用是提高输出信号的伏值和功率，使之能够驱动直流电动机能使他正常工作。

方案一优点：

电路较复杂，灵活性强，通过硬件实现，编程也比较简单。

直流调速准确。

缺点：

设计较繁琐，成本高。

方案二：

图2.2结构硬件原理图

单片机最小系统的应用、驱动芯片、直流电机三部分组成。

这里利用定时计数器让单片机P1口的P1.0，P1.1脚输出方波，然后经驱动芯片放大后来控制直流小电机（图2.2），让P1口输出占空比不同的方波即可达到调速的目的。

一个电机由P1口的两根位线来控制。

驱动芯片的输入电压实际上是两根位线的电压差，在调速时如果两根位线同时输出方波，它们之间的电压差控制起来就比较复杂。

实际中是让其中一根位线长期为低电平，而另一根位线产生调速方波，这样两根位线的电压差就可通过控制其中一根位线来控制。

当需要改变电机转动方向时，可以让输出低电平的位线输出方波，而让输出方波的位线一直输出底电平即可达到目的。

定时计数器每中断一次，就使P1口控制位线（P1.0或P1.1）产生一个高电平或低电平。

这里把直流小电机的速度级设为7个等级，由等级数来决定一个周期的高电平的总个数。

按一个脉冲（包括高电平和低电平）为30ms来计算，一个方波周期7个脉冲（图2.3），周期即为210ms。

占空比为高电平脉冲个数比上一个周期总的脉冲个数7。

当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/7，速度最低；

当高电平脉冲个数为7时，占空比为1，相当于电机全速运行，速度最高。

图2.3电机调速方波

在定时器中断服务程序中，先判断一个方波周期到否,如果到了就将P1口控置位线恢复为高电平；

如果一个方波周期还没到，就判断高电平冲个数到否，到了就应该将输出电平置低，否则继续保持P1口控制位线为高，中断返回，等待下一次定时中断。

这样P1口控制位线就输出了所需占空比的调速方波。

方案二的优点：

硬件电路结构简单，成本低。

方案二的缺点：

利用单片机的P1.0和P1.1作为控制直流电机转速的,精度不够，不稳定。

经过论证我选择方案一作设计方案。

2.2PWM的基本工作原理

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过改变直流电

机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如图2所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；

电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得设电机始终接通电源时，电机转速最大为，设占空比为D=t／T，则电机的平均速度为

最大值‰

平均值

最小值‰x

图2电枢电压“占空比”与平均电压关系=VmD

（2）式中，——电机的平均速度；

——电机全通电时的速度（最大）；

D=／卜占空比。

由公式

（2）可见，当我们改变占空比D：

t／T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。

严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

2.3直流电动机转速控制系统的工作原理

直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。

本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。

当电动机转速小于设定值时．DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小．从而使电动机以设定的速度恒速旋转。

我们采用比例调节器算法。

控制规律：

Y=KPe（t）+KI』e（t）dt

式中：

Y一比例调节器输出，K比例系数，K一积分系数e（t）一调节器的输入，一般为偏差值。

系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。

无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。

2.4PWM码简介及解码原理

PWM码是一种脉宽调制码，它的组成为9MS高电平和4MS低电平引导脉冲，16位系统识别码，8位数据正码和8位数据反码。

我们要解的就数据码。

一个PWM码的0是由一个0.58ms的低电平和一个0.58ms的高电平87组成，1是由一个0.58ms的低电平地和一个1.58ms的高电平组成。

解码原理是这样的。

首先通过延时来丢开引导码，然后通过解码丢掉16位系统识别码，最后解系统正码和反码。

解开后将正码取反看是否与反码相同，如果相同，即解开保存其值。

解码0或1是这样的。

在低电平的时候等待，直到为高了后，用一个0.882ms的延时去量，量完后，如果为低了,证明前面是一个0.58ms低电平和一个0.58ms高电平地组成，即保存一个0.如果为高，则证明是由一个0.58ms低电平地和一个1.58ms高电平组成，即保存一个1.为1则再调一个延时，让它延到低电平。

等待到高电平后重复上述过程解码。

第3章系统硬件电路设计

3.1电源电路设计

本设计的电源都是正5V供电，电源电路是由一变压器，桥式整流电路，7805芯片所组成。

单路原理图如下（图3.1）

图3.1电源电路原理图

3.2单片机最小应用系统的实现

8051属于MCS-51系列单片机的一种，它的内部结构框图如图3.2所示，它由以下几个部分组成：

图3.2MCS51系列单片机的内部结构框图

·

一个8位中央处理器CPU，它由运算部件、控制部件构成，其中包括振荡电路和时钟电路，其主要功能是完成单片机的运算和控制功能。

128个字节的片内数据存储器RAM，用于存储读写数据。

18个特殊功能寄存器，它用于控制和管理片内算术逻辑部件。

单行I/O

口，串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。

4个8位并行输入输出I/O接口。

P0口、P1口、P2口、P3口（共32线），用于并行输出或输入数据

1个串行I/O口，它可使数据1位1位串行的在计算机的外设之间进行传送。

2个16位定时器/计数器。

它可以设置成计数方式对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式进行定时。

一个具有5个中断源，可编程为2个优先级的中断系统，它可以接收外部中断申请，定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。

另外，需要说明的一点是8051与其他MCS-51系列单片机相同，它有片内程序只读存储器ROM或EPROM，因此在使用中不必外接ROM或EPROM，样就能构成一个完整的系统。

MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚。

在40个引脚中有2个专用于主电源的引脚，2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。

功能如下：

1.主电源引脚Vcc和VSS

VCC（40脚）：

接+5V电源正端；

VSS（20脚）：

接+5V电源地端。

2.接晶体引脚XTAL1和XTAL2，它们分别接外部石英晶体的两端。

3.控制信号或与其它电源复用引脚

（1）T/VPD（9脚）：

RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。

（2）ALE/PROG（30脚）：

当访问外部存储器时，ALE以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8位地址。

（3）PSEN（29脚）：

片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。

（4）EA/VPP（脚）：

Ea为访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。

4.输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口

（1）P0口（39脚-32脚）：

P0.0-P0.7统称为P0口，作为准双向8位输入/输出接口。

（2）P1口（1脚-8脚）：

P1.0-P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

（3）P2口（21脚-28脚）：

P2.0-P2.7统称P2口，一般作为准双向I/O接口。

（4）P3口（10脚-17脚）：

P3.0-P3.7统称为P3口,它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每一位用于它的第2功能。

其第2功能如表3.1所示。

第21脚至28脚相对应的8条口线P2.0至P2.7组成了P2口，P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

表3.1P3口第2功能表

第32脚至39脚相对应的8条口线P0.0至P0.7组成了P0口，P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

有了这些标准输入输出口，使用起来就很方便了。

这样，我们可编制一段程序，向这些标准口中存入一定的数据（这些数据也可叫控制字），各口线引脚就会呈现出不同的高低。

比如我们向P0、P1、P2、P3口中送入数据#00H，则每个口的各口线电位状态就会为“00000000”，也就是各条口线皆呈低电位。

我们再向P0口送人数据#03H。

P0.0至P0.7各条口线所呈电位为“00000011”，也就是只有P0.0和P0.1两条口线所对应的引脚呈高电位。

另外，还应知道，P0口的P0.0-P0.7的位地址是80H至87H，P1口的P1.0至P1.7的位地址是90H至97H，P2.0至P2.7和P3.0至P3.7的位地址分别是AOH至A7H和BOH至B7H。

3.3D/A转换接口电路设计

3.3.1DAC0832简介

在本设计中，D/A转换电路采用的是一个8位D/A转换器0832，它是单电源供电，在+5V——+15V范围内均可正常工作。

其基准电压的范围为+10V——-10V,电流建立时间为1us，低功耗20mW,其引脚如图3.3所示；

图3.3DAC0832引脚图

各引脚的功能如下：

（1）D7-D0:

转换数据输入端。

（2）

CS:

片选信号，输入，低电平有效。

（3）ILE:

数据锁存允许输入信号，输入，高电平有效。

（4）

WR1:

写信号1，输入，低电平有效。

（5）

WR2:

写信号2，输入，低电平有效。

（6）

XFER:

数据传送控制信号，输入低电平有效。

（7）IOUT1:

电流输出1，当DAC寄存器各位为全“1”，时电流最大；

为全“0”时，电流为0。

（8）IOUT2：

电流输出2，电路中保证IOUT1+IOUT2=常数。

（9）Rfb:

反馈电阻端，片内集成的电阻为5K。

（10）Vref：

参考电压，可正可负，范围为-10——+10V。

（11）DGND：

数字量地。

（12）AGND：

模拟量地。

3.3.2DAC0832与单片机的接口

DAC0832与单片机的接口有3种连接方式，即直通方式、单缓冲方式及双缓冲方式直通方式不能直接与系统的数据线相连，需要另加锁存器，因此一般很少用，通常用的是另外两种连接方式。

在本系统中，由于只用了一路模拟量输出，因此采用单缓冲方式。

其连接方式如图3.4所示：

图3.4DAC0832单缓冲连接方式

需要说明的是DAC0832的输出为电流，使用时必须经过转换电路将其转换为电压。

而当只采用一级运算放大器转换时，如果它的参考电压为正电压，那么经过运算放大器后的输出电压为负电压，反之则得到正电压。

图3.5DAC0832的双极性输出接口

它们的关系为：

当Vref接+5V（或-5V）、数字量的变化范围为0—255时，输出电压范围为0——10V（或-10V），如果参考电压为正电压而想得到正电压输出的话，可采用双极性电压输出电路。

在本设计中，由于输出为正弦波，要求双极性电压输出，因此采用两极放大电路，电路图如图13所示。

其中运放A2的用来把运放A1的单极性输出变为双极性输出。

D/A转换电路的最大输出幅度由0832VREF端的参考电压决定。

3.4功放电路

放大电路是电子电路中应用最多的单元电路。

利用放大电路可以把微弱的电信号放大到足够的幅度去带动负载工作，完成预定任务。

放大电路有很多种，本系统采用结构最简单的单管放大电路。

晶体三极管，主要的功能是就电流放大作用，是电子电路的核心元件。

3.4.1晶体三极管

1.晶体三极管的电流放大作用

三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。

其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。

这是三极管最基本的和最重要的特性。

三极管有一个重要参数就是电流放大系数β=ΔIc/ΔIb。

电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。

当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。

集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

2.晶体三极管的三种工作状态

　　截止状态：

当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。

　　放大状态：

当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管处放大状态。

饱和导通状态：

当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极