基于STC52单片机的直流电机PWM调速系统.docx
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基于STC52单片机的直流电机PWM调速系统
实训报告
实训名称直流电机调速试验
系别电子与电气工程学院
专业、班级09测控C1
学生姓名、学号刘凡094821257
学生姓名、学号沈阳094821345
学生姓名、学号覃新造094820364
指导教师陈进
实训地点16号楼212室
实训日期2012年5月20日
基于STC52单片机的直流电机PWM调速系统
摘要
本文介绍一种基于STC52单片机控制的PWM直流电机脉宽调速系统。
系统以廉价的STC52单片机为控制核心，以直流电机为控制对象。
从系统的角度出发，对电路进行总体方案论证设计，确定电路各个的功能模块之间的功能衔接和接口设置，详细分析了各个模块的方案论证和参数设置。
整个系统利用52单片机的定时器产生1K左右的PWM脉冲，通过快速光耦6N137实现控制单元与驱动单元的强弱电隔离，采用4个9013和2个9012构成的H桥电路实现对直流电机的调速，用光电编码盘完成测速功能。
关键字STC52，PWM，光耦隔离，光电编码盘
1前言
1.1数字直流调速的意义
现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制。
从上世纪80年代中后期起，世界各大电气公司如ABB、通用、西屋、西门子等都在竞相开发数字式调速传动装置，经过二十几年的发展，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：
功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制[1]。
特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。
数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。
全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。
采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。
由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。
近年来，尽管交流调速系统发展很快，但是直流电机凭借其良好的启动、制动性能，在金属切削机床、轧钢机、海洋钻机、挖掘机、造纸机、矿井卷扬机、电镀、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中仍得到了广泛的应用。
现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国外先进的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器，吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。
1.2研究现状综述
1.2.1电气传动的发展现状
20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。
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[1]。
同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。
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[1]。
早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低[2]。
随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。
由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。
所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。
1.2.2微处理器控制直流电机发展现状
微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。
此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。
为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求[2]，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。
对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。
现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。
对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。
通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。
目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节[2]。
高性能的微处理器如DSP（DIGITALSIGNALPROCESSOR即数字信号处理器）的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。
在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算[2]。
1.3直流电动机调速概述
1.3.1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：
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[3]。
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[4]，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差[5]。
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。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大[6]。
随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。
如：
由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等等。
调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。
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
根据图1，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[7]。
2系统总体方案论证
2.1系统方案比较与选择
方案一：
采用专用PWM集成芯片、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如Tl公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313I芯片等。
这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。
这种专用PWM集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高，难于控制工业成本不宜采用。
方案二：
采用STC52单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。
L298是双H高电压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。
其驱动电压为46V，直流电流总和为4A。
该方案总体上是具有可行性，但是L298的驱动电压和电流较小，不利于工业生产应用，无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。
方案三：
整个系统利用52单片机的定时器产生1K左右的PWM脉冲，通过快速光耦6N137实现控制单元与驱动单元的强弱电隔离，采用4个9013和2个9012构成的H桥电路实现对直流电机的调速，用光电编码盘完成测速功能。
综合上述三种方案，本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。
2.2系统方案描述
本系统采用STC52为控制核心，配以2键盘和LCD显示，通过晶体管驱动直流电机和LCD速度显示。
同时利用STC52产生的PWM经过逻辑延迟电路后加载到以9013和9012构成的H桥主干电路上实现对直流电机的控制和调速。
本系统的控制部分均为5V的电压，采用6N137光耦隔离直流电机对单片机的信号干扰。
3硬件电路的模块设计
3.1驱动电路方案论证设计
3.1.1驱动电路方案、参数描述
整个系统的驱动电路采用四片9013和2片9012构成的H桥电路。
如下图3-2：
图3-2驱动主电路原理图
3.1.2IGBTH桥驱动电路原理
H桥驱动电路是一个典型的直流电机控制电路，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种[20]。
本设计同样采用选用双极式H型PWM变换器。
如图3-7所示，四个电力晶体管IGBT和四个续流二级管FR307构成了H桥驱动电路。
基极驱动电压分为两组即
、
同时工作其驱动电压分别为
和
，
和
同时工作其驱动电压为
。
在一个开关周期内，
时
和
为正，晶体管
和
饱和导通；而
和
为负值，
和
截止。
这时，+
加在电枢AB两端，
，电枢电流
沿回路1流通；当
时，
和
变为负值，
和
截止；
和
变成正值，但是
和
并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，
沿回路2经二极管
、
续流，在
和
上的压降使
、
集电极和发射极承受反压，这时
，
在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征[2]。
图3-7IGBTH桥驱动电路
在一个周期内具有正负相间的脉冲波形。
而电机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。
当正脉冲较宽时，
，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电机正转。
当
，平均电压为负值，电机反转。
如果正负脉冲相等时电枢电压为零，电机停转。
双极型可逆PWM变换器电枢平均电压为[3]：
若定义占空比为
和电压系数
的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中
=2
-1与不可逆变换器中的不同。
调速时
的可调范围为0~1，相应的
=-1~1。
当
时，
为正，电动机正转；当
时，
为负，电动机负转；当
时，
=0，电动机停止。
双极式控制的电压平衡方程式[3]：
（
）
（
）
电枢两端在一个周期内的平均电压都是：
。
其平均值方程都可写成[3]：
则机械特性方程[3]：
用转矩表示[3]：
式中，
——电机在额定磁通下的转矩系数，
。
——理想空载转速，与电压系数成
正比，
。
3.2隔离电路方案论证设计
3.2.16N137光耦隔离
隔离是整个设计的关键环节，如果隔离没有做好，将导致强弱电互相串扰，强电串到弱电的控制单元时会导致整个控制单元烧毁。
因为系统的主电路电压均为高电压、大电流，而控制单元为弱电压，弱电流，所以它们之间必须采取光电隔离措施，以提高系统抗干扰措施，综合考虑决定采用快速关断型驱动芯片6N137。
图3-86N137内部结构图
选用6N137光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，驱动电路简单。
根据6N137的数据手册要求5、8脚之间必修接104旁路电容使输出均匀化，降低负载需求。
具体电路设计如图3-9：
图3-96N137光耦隔离电路
4软件设计
4.1PWM实现方式方案论证
方案一：
软件延时
基本思想：
首先预设占空比值D，再根据周期T分别给输出端口置高电平M个单位时间
，即
。
然后，在给输出端口置低电平
个单位时间，即
。
通过改变M和
的值，就可实现改变占空比，从而实现对单片机调速[23]。
软件延时虽然理论上实现起来较容易，但占用系统资源过多，使用不方便。
方案二：
定时计数
基本思想：
利用单片机定时器0中断方式产生PWM脉冲，当定时器计数到设定时间后输出端口实现高低电平转换，实现PWM输出。
此方案占用单片机资源比较少，使用较为简单。
综合两个方案，本设计采用方案二。
4.2程序流程图
系统程序为一个主程序（包括若干功能模块），中断子程序，以及若干个子程序，共计三大部分构成。
按照任务的定义，每个功能模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如测量、计算、显示、键盘扫描、输出控制等。
本设计的总程序设计流程图及其部分主要子程序流程图。
图4-2PWM输出流程图
4.3主要程序设计分析
4.3.1定时器0中断服务函数
voidtime0（）interrupt1
{
TH0=（65536-18432）/256;
TL0=（65536-18432）%256;
a++;
if（a==100）
{
a=0;
key1=1;
second++;
num2=num*60;
num1=num2/100;
num=0;
if（second==60）
{
second=0;
minute++;
if（minute==60）
{
minute=0;hour++;
if（hour==23）
{
hour=0;
}
}
}
}
}
4.3.2占空比调节部分
if（!
Inc）
pwm=pwm>0?
pwm-1:
0;
if（!
Dec）
pwm=pwm<1000?
pwm+1:
1000;
PWM=1;
delay（pwm）;
PWM=0;
delay（1000-pwm）;
5调试结果描述
图5-1PWM为默认值200，即占空比为20%时候的情况
图5-2占空比为0情况的波形
图5-3占空比为100%情况的波形
从上表可知：
当占空比为50%电机停转，随着占空比的增加或减少电机转速也越来越快。
通过改变占空比即可实现对直流电机的调速。
6实物图
图6-1正在调速的直流电机
图6-2LCD显示速度
图6-3光电编码盘测速
结论
现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断地有技术指标及其苛刻特殊应用系统要求。
随着微电子技术、电力电子技术和计算机技术，集成电路制作工艺的飞速发展，以及控制理论地完善、仿真工具地日渐成熟，给电机控制行业带来了很多机遇和反展契机。
使用高性能的微机解决电机控制器不断增加的计算量和速度要求，使其功能强大、维修方便、适用范围广又非常经济。
我们小组经过4周设计基本完成了STC52控制单位、6N137光耦隔离、驱动电路、晶体管H桥电路、参数计算、焊接电路板、软件编写、整体调试，整个系统的设计最后完成实物和软件调试基本上达到了课程设计要求，但是离真正的工程推广和工业生产应用还有很多的工作要完成。
参考文献
[1]郭天祥51单片机C语言教程，电子工业出版社，2010年3月；
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