单片机直流电机的调速和控制解读.docx

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单片机直流电机的调速和控制解读

湖北理工学院电气学院

课程设计报告

课程名：

单片机课程设计

题目：

直流电机调速控制器设计与仿真

班级：

2011级电信专

姓名：

王长军

学号：

201130240122

项目

评分标准

分值

得分

1、设计方案准备

设计前要自己查资料进行方案论证，符合要求的得满分；没有方案的得0分

10分

2、课设纪律

旷课1次扣1分，迟到1次扣0.5分；完全不到的得0分

5分

3、设计态度

包括与老师、同学积极交流，主动性强的得10分；偷懒抄袭别人劳动成果的得0分

5分

4、仿真调试

耐心细致检查错误，找出错误原因所在，并且有所收获的得10分；拒不检查错误的得0分。

10分

5、创新点

能独立设计方案并有创新的得10分；否则酌情给0分

10分

6、验收

能仿真检测频率并有正确数字显示，达到预期效果得30分；其它情况酌情给分；没有仿真结果的得0分，且本次课程设计不及格

40分

7、课程设计答辩

能回答老师提出的关于课程设计相关的2—3个问题，设计思路清晰得10分；不能回答老师提问，设计思路不清晰得0分；其它情况酌情给分

10分

8、实验报告

书写工整规范、要素齐全、语句流畅、图形清晰的得10分；否则酌情给分；无实验报告的得0分，且本次课程设计不及格

10分

合计

按分值折算成：

优、良、中、及格、不及格

100分

一、设计题目1

二、课程设计内容1

三、设计方案1

四、单元模块设计2

五、硬件电路设计4

六、设计软件模块7

七、设计中的问题9

八、设计总结9

九、附录10

一、设计题目

主标题：

直流电机调速控制器设计与仿真

附标题：

1、PWM控制2、正反转控制3、A/D采样及开关机控制4、负载保护功能

二、课程设计内容

（一）、直流电机调速控制器

直流电机伺服控制系统、PWM直流调速系统是采用数字控制调速技术的高精度电子调速装置，要采用国际标准技术规范，并要求具有结构简单、体积小、重量轻等特点，具有多重保护功能，安全、稳定、可靠。

以完全满足实际需要。

（二）、设计要求

1、PWM脉宽调制技术。

2、限流保护、过流报警。

3、软启/软停时间设置功能。

（0.2—20秒可调）

4、使能闭锁控制功能（接通工作，断开停止工作）

5、可实现快速换向功能

6、可实现快速刹车制动功能

（三）、主要技术参数

1、输入电压：

DC 12V。

2、输出电压：

DC 0—12V。

3、输出电流：

DC10A其它电流（最大15A）可设定。

4、精度：

≤1%

5、环境温度：

-10ºC~+60ºC

6、环境湿度：

相对湿度≤80RH。

3、设计方案

采用由三级管组成的H型PWM电路（图1）。

用单片机控制三级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。

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。

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。

图1PWM波调速电路

其结构图如图2所示：

图2电机调速系统框图

4、单元模块设计

（一）H桥驱动电路设计方案

图3所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

如图3所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图3H桥驱动电路

（二）调速设计方案

调速采用PWM脉宽调制，工作原理：

通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。

PWM的定义:

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。

9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。

与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。

模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。

在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。

拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。

与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。

其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。

能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。

模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。

模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

5、硬件电路设计

（1）电源电路

1、芯片介绍

78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V

电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

2、电路原理图

电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。

电路图如图4所示：

图478系列的电源电路

（2）H桥电机驱动电路

基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。

直流电机控制使用H桥驱动电路（图5），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。

图5H桥的电机驱动电路

（三）基于霍尔传感器的测速模块

1、霍尔传感器的工作原理

霍尔效应：

在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。

该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。

工作原理：

霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。

信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。

单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。

2、霍尔传感器的电路原理图

图6霍尔传感器的测速电路

（四）LCD显示模块

1、1602芯片介绍

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VDD接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

2、电路原理图

图7LCD显示电路

6、设计软件模块

当按下启动键时，电机开始工作。

若需要加快电机的转速，则按下加速键，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机的转速时，则按下减速键，待转速满意后，放开按键。

当然，在某种特定的环境下，还需改变电机的转速，此时，你可以按一下反转键，以达到改变电机转向的目的。

当电机不工作时，则按下停止键。

仿真图如下图所示

启动前的PWM波

启动后的PWM波

加速到最大速度的PWM波

反向后的PWM波

7、设计中的问题

此次设计我们用到了三个学习软件，分别是：

Kile4，Protues，protel99SE。

通过这次设计，让我更加了解了这三种软件，并深入地学习了他们的用法和功能。

在设计过程中，我在做仿真图时，并没有完全做出来仿真，里面的保护电路布置怎么做，也没有办法做到电路的保护；还有就是A/D数模采样，也布置如何做起，但是，经过两个星期的课程设计，让我懂得了光学习是没有用的，必须有适当的实践，才能积累到经验。

8、设计总结

经过2个星期的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。

本产品实现了对直流电机的调速和测速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：

对电机的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机的驱动电路的设计也不是很成熟。

此次的设计没能完全成功，但对已学的各种电子知识有了一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路，这是非常可贵的一点。

总体来说，这次设计还是比较成功的，愿我们能在下一次实践中学到更多，了解的更多。

九、附录

（一）直流电机原理图

（2）系统的PCB图

（三）原件清单

2200uF

0.1uF

2200uF

0.1uF

107

10K

4.7K

DIODE

SW-PB

NPN

7805

7815

LCD1602

CON2

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