PWM调速系统设计.docx

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PWM调速系统设计

课程设计

PWM波直流电机速度调节系统

学院：

机电学院

专业：

电气工程与自动化

班级：

姓名：

学号：

指导老师：

日期：

目录

一引言1

1.1开发背景2

1.2数字控制器D（z）5

二直流电动机调速概述4

2.1直流电机调速原理4

2.2直流调速系统实现方式5

2.38051单片机简介……………………………………………………………

三硬件电路设计…6

3.1PWM波形的程序实现7

3.2直流电动机驱动7

3.3续流电路设计8

四软件设计9

4.1主程序设计9

4.2数码显数设计10

4.3功能程序设计10

4.4仿真图13

4.5仿真结果分析14

五心得体会14

一引言

1.1开发背景

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

1.2数字控制器D（z）

假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D（z）,

二直流电动机调速概述

2.1直流电机调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。

但是对于直流电动机的转速有以下公式：

n=U/Cc

-TR内/CrCc

其中：

U—电压；

—励磁绕组本身的电阻；

—每极磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。

磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。

所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

图1-1直流电机的工作原理图

电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。

在工业生产中广泛使用其中脉宽调制（PWM）应用更为广泛。

脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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”。

图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图

根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为

，占空比为D=

/T，则电机的平均速度为：

，可见只要改变占空比D，就可以得

到不同的电机速度，从而达到调速的目的。

2.2直流调速系统实现方式

PWM为主控电路的调速系统：

基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压

不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。

改变占空比D的值有三种方法：

A、定宽调频法：

保持

不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。

B、调宽调频法：

保持t不变，只改变

，这样使周期（或频率）也随之改变。

C、定频调宽法：

保持周期T（或频率）不变，同时改变

和t。

2.38051单片机简介

1．8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。

其基本组成如下图所示：

8051基本结构图

2．8051单片机引脚图

8051单片机引脚图

三硬件电路设计

本系统采用80C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。

3.1PWM波形的程序实现

随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：

1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：

图2-1程序流程图

3.2直流电动机驱动

在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机

L298内部结构和功能引脚图

L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。

其内部有两个完全相同的功率放大回路。

L298引脚符号及功能

SENSA、SENSB：

分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地

ENA、ENB：

使能端，输入PWM信号

IN1、IN2、IN3、IN4：

输入端，TTL逻辑电平信号

OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：

输出端，与对应输入端同逻辑

VCC：

逻辑控制电源，4.5~7VGND:

地

VSS：

电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高

当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。

当使能端为低电平时,电动机停止转动。

3.3续流电路设计

由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。

我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。

二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。

由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。

为保护芯片加上洗续流电路。

电路的工作原理替如图3.7所示。

电路的工作原理：

当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。

续流电路工作原理图

四软件设计

4.1主程序设计

该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.

ORG0000H

AJMPSTART

ORG0003H

LJMPINT0；T0中断

ORG000BH

LJMPITT0；T1中断

ORG0030H；系统初始化

START:

MOVSP,#60H；赋初值堆栈指针

MOVR0,#00H；给R0送值0

MOVR1,#00H；给R1送值0

CLRP1.5；置0

CLRP1.6；置0

CLRP1.7；置0

MOVTMOD,#01H；写控制字控制方式

MOVTL0,#0FFH；置定时常数

MOVTH0,#0FFH

SETBEA；允许中断

SETBEX0；允许外部中断0

SETBET0；允许TL0中断

CLRIT0

SETBTR0；启动TL0

图3-1主流程图

4.2数码显数设计

通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示

程序代码：

MOVDPTR,#TAB

MOV40H,#0；置0

MOV41H,#0；置0

LED:

SETBP1.1；P1.1置1

CLRP1.2；P1.2清0

MOVA,40H；将40H的内容送往A

MOVCA,@A+DPTR；查表

MOVP0,A；查表所得A值送往P0口

LCALLTTS；调用延时

CLRP1.1；P1.1清0

SETBP1.2；P1.2置1

MOVA,41H；将41H的内容送往A

MOVCA,@A+DPTR；查表

MOVP0,A；查表所得A值送往P0口

LCALLTTS；调用延时

CLRP1.2；P1.2口清0

LJMPLED；跳转到LED

ORG2000H

TAB:

DB40H,79H,24H,30H,19H

DB12H,02H,78H,00H,10H

4.3功能程序设计

结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停

程序代码：

ITT0:

CPLP1.5；P1.5口取反

JNBP1.5,Z1

MOVA,#0FFH；低电平定时

SUBBA,R0

MOVTH0,A

SETBTR0；启动TL0

RETI

Z1:

MOVTH0,R0；高电平定时

SETBTR0

RETI

INT0:

CLREX0；实现键盘控制

MOVA,#0FFH

MOVP2,A

MOVA,P2

JNBACC.0,JIA

JNBACC.1,JIAN

JNBACC.2,FF

图3-2数码显示流程图图3-3中断子程序流程图

JNBACC.3,ZZ

JNBACC.4,TZ

AJMPCC

JIA:

CJNER0,#0FFH,AA；实现电机加速

AJMPCC

AA:

MOVA,R0

ADDA,#25

MOVR0,A

AJMPCC

JIAN:

CJNER0,#00,BB；实现电机减速

AJMPCC

BB:

MOVA,R0

SUBBA,#25

MOVR0,A

AJMPCC

CC:

MOVA,R0；数码显数

MOVB,#25

DIVAB

MOVB,#10

DIVAB

MOV40H,A

MOV41H,B

SETBEX0

LCALLTTS；调用延时

LCALLTTS；调用延时

LCALLTTS；调用延时

LCALLTTS；调用延时

RETI

FF:

SETBP1.6；电机反传

CLRP1.7

LCALLTTS

LCALLTTS

LCALLTTS

SETBEX0

RETI

ZZ:

CLRP1.6；电机正转

SETBP1.7

LCALLTTS

LCALLTTS

LCALLTTS

SETBEX0

RETI

TZ:

CLRP1.6；实现电机停止

CLRP1.7

LCALLTTS

LCALLTTS

LCALLTTS

SETBEX0

RETI

TTS:

MOVR3,#0E0H；延时子程序

TT1S:

MOVR4,#40H

TT0S:

DJNZR4,TT0S

DJNZR3,TT1S

RET

END

4.4仿真图

在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。

仿真结果如图3-4所示:

图3-4仿真图

相应电机的显示如图3-5所示

图3-5仿真结果

4.5仿真结果分析

当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。

点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。

显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。

电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。

且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。

因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效果。

五心得体会

通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。

不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。

在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：

直流电机PWM调速、80C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。

在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。

通过求助于张老师、理清了思路。

同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了课程设计中的道道难题。

最后经过指导老师张老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。

办事只要有了头绪，就会简单很多。

本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。

总的感受有以下几方面：

1、通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。

2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。

特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。

3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。

同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。