基于单片机的直流电机控制器的设计.docx

资源描述

基于单片机的直流电机控制器的设计.docx

《基于单片机的直流电机控制器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的直流电机控制器的设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的直流电机控制器的设计.docx

基于单片机的直流电机控制器的设计

摘要

本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。

本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。

并实现电路的仿真。

为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。

采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。

设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。

关键词：

AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制；仿真。

Abstract

ThisarticleisaDCmotorPWMspeedcontroldesignstudy,themainachievementofmotorcontrol.ThiscourseisprimarilydesignedtoachievePWMspeedcontrollerforforwardandreverse,acceleration,deceleration,andstopsuchanoperation.Andtoachievethecircuitsimulation.Toachievesystem,microcomputercontrol,inthedesign,usingAT89C51microcontrollercontrolsystemasawhole,thecoreofthecontrolcircuit,accompaniedbyavarietyofshows,drivemoduleenablesthemotorspeedparameterdisplayandmeasurement;fromthecommandinputmodule,OpticalisolationmoduleandH-drivemodule.Withthestand-alonekeyboardwithabreakasacommandinput,single-chipintheprocesscontrol,continuingtotheopticalisolationcircuittosendPWMwaveform,H-typemotordrivingcircuittocompletepositiveinversioncontrol.Inthedesign,usingPWMspeedmode,bychangingthePWMdutycycletochangethemotorarmaturevoltage,soastorealizethespeedofthemotor.Designofthecontrolsystemhardwarestructurewithalargenumberofintegratedcircuitmodules,greatlysimplifyingthehardwarecircuitrytoimprovestabilityandreliabilityofthesystemsothatthewholesystemperformanceisimproved.

Keywords:

AT89C51microcontroller;PWMspeed;positiveinversioncontrol;Simulation。

1系统论述

1.1设计思路

直流电机PWM控制系统的主要功能包括：

直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。

其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。

该直流电机系统由以下电路模块组成：

振荡器和时钟电路：

这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。

设计输入部分：

这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。

设计控制部分：

主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。

设计显示部分：

包括液晶显示部分和LED数码显示部分。

液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。

直流电机PWM控制实现部分：

主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。

1.2基本原理

主体电路：

即直流电机PWM控制模块。

这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。

其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。

其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。

该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：

设计输入部分：

这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。

设计控制部分：

主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。

设计显示部分：

包括液晶显示部分和LED数码显示部分。

液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。

直流电机PWM控制实现部分：

主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。

1.3总体设计框图

系统组成：

直流电机PWM调速方案如图1.1所示：

方案说明：

直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。

采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。

图1.1直流电机PWM调速方案

2直流电机单元电路设计与分析

2.1直流电机驱动模块

主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。

现在介绍下直流电机的运行原理

2.1.1直流电机类型

直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：

直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。

下面以直流电动机作为研究对象。

2.1.2直流电机结构

直流电机由定子和转子两部分组成。

在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。

图2.1直流电动机结构

2.1.3直流电机工作原理

直流电机电路模型如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。

当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。

根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。

图2.2直流电动机电路模型

2.1.4直流电机主要技术参数

直流电机的主要额定值有：

额定功率Pn：

在额定电流和电压下，电机的负载能力。

额定电压Ue：

长期运行的最高电压。

额定电流Ie：

长期运行的最大电流。

额定转速n：

单位时间内的电机转动快慢。

以r/min为单位。

励磁电流If：

施加到电极线圈上的电流。

2.1.5直流电机PWM调速原理

（1）直流电机转速

直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。

图2.3直流电机的数学模型

根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：

U=Ea-Ia（Ra+Rc）……………………………………………式1.1

式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；

Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。

由此可得到直流电机的转速公式为：

n=Ua-IR/CeΦ……………………………………………式1.2

式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。

由1.1式和1.2式得

n=Ea/CeΦ………………………………………………式1.3

由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。

（2）PWM电机调速原理

对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。

图2.3施加在电枢两端的脉动电压

设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。

若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：

U平=U·D……………………………………………式1.4

由式1.3得到：

n=Ea/CeΦ≈U·D/CeΦ=KD；

在假设电枢内阻转小的情况下式中K=U/CeΦ，是常数。

图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。

图2.4占空比与电机转速的关系

由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。

由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。

2.1.6电机驱动模块的电路设计

根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地]连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2.5所示

●2SK1058:

CMOSS管

●74L26:

三太门

●1N4006:

二极管

●VSCOURCE:

电源

●MOTOR-ENCODER:

直流电机

●RES:

电阻

●AT89C51:

单片机（在此并未显示）

图2.5直流电机驱动电路

然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用L298芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块如图2.6所示。

所用元器件如下所示：

●1N4006:

二极管

●AT89C51:

单片机（在此并未显示）

●RES:

电阻

●MOTOR-ENCODER:

直流电机

●L298:

电机驱动芯片

●RESPACK-8:

排阻

图2.6直流电机及其驱动电路

2.1.7程序设计流程图

图2.7定时中断服务流程图

2.2直流电机的中断键盘控制模块

2.2.1外部中断设置

（1）外部中断允许设置

中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。

如：

开放外部中断0的设置：

SETBEX0

SETBEA

开放外部中断0和1的设置：

SETBEX0

SETBEX1

SETBEA

（2）外部中断触发方式设置

单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。

TF1

TR1

TF0

TR0

IE1

IT1

IE0

IT0

电平触发设置方法：

CLRITX，为低电平触发方式。

脉冲触发设置方法：

SETBITX＝1，为脉冲下降沿触发方式。

在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。

（3）外部优先级设置

外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。

PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。

PT1

PX1

PT0

PX0

2.2.2外部中断扩展方法

在图2.8为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号，X1代表是加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信号，X5=0表示停止处理。

图2.8外部中断扩展电路

当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图2.9。

图2.9中断服务流程

2．31602LCD液晶显示模块

2.3.1引脚分布和接口信号说明

（1）引脚分布

1602液晶显示共有16个引脚，其引脚分布如图2.5所示。

图2.101602液晶显示模块引脚分布

（2）引脚功能

1602引脚功能如表2.1所示

表2.11602引脚功能

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

VSS为地电源

DataI/O

VDD

VDD接5V正电源

DataI/O

VEE

液晶显示偏压信号

DataI/O

0输入指令，1输入数据

DataI/O

R/W

0写入指令或数据，1读信息

DataI/O

1读取信息，1→0执行指令

DataI/O

BLA

背光源正极

DataI/O

BLK

背光源负极

2.3.2LCD液晶电路

图2.111602液晶显示模块组成

2.3.3显示程序流程图如3.12所示

图2.12

3直流电机PWM控制系统的实现

3.1总电路图

图3.1直流电机

3.2总电路功能介绍

直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。

操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。

振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出。

直流电机转动速度由LCD液晶显示。

操作开关状态由液晶显示器显示。

3.3直流电机控制程序

ORG0000H

SJMPDISPLAY

ORG0003H

LJMPBUTTON;外部0中断入口地址

ORG000BH

LJMPDINGSHI;定时中断T0入口地址

RSEQUP3.0

RWEQUP3.1

EEQUP3.4

ORG0030H;此次直流电机的设计以LCD字符夜晶的

;显示程序为主程序

DISPLAY:

SETBEA;打开中断总开关

SETBEX0;打开外部中断0开关

SETBIT0;打开外部中断0下降沿触发

MOVTMOD,#01H;设置定时工作方式

MOVTL0,#0FFH;设置定时初值

MOVTH0,#0FFH

SETBET0;打开定时中断T0开关

CLRP0.5

CLRP0.6

CLRP0.7

SETBTR0;定时器T0开始定时

MOVDPTR,#TAB;夜晶显示的字符首地址

MOVR0,#00H;脉宽的初值

MOVR1,#16;"SETSPEEDPLEASE"的字符个数

MOVR3,#00H

MOVR4,#00H

LP9:

LCALLCHUSHI

LP2:

ACALLBUSY

MOVA,#00H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

ACALLDATAS

INCDPTR

DJNZR1,LP2

LP3:

CJNER3,#00H,LP4

CJNER4,#00H,LP4

SJMPLP3

LP4:

MOVR7,#00H;中断的标志

MOVR5,#09H;CURRENT:

的字符个数

ACALLBUSY

MOVP1,#0C0H

ACALLENABLE

MOVDPTR,#MMTAB

ACALLBUSY

LP5:

MOVA,#00H

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

INCDPTR

ACALLDATAS

ACALLBUSY

DJNZR5,LP5

MOVDPTR,#STAB

MOVA,R2

MOVP1,A

ACALLDATAS

ACALLBUSY

MOVA,R3;显示速度的十位

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

ACALLDATAS

ACALLBUSY

MOVA,R4;显示速度的个位

MOVCA,@A+DPTR

MOVP1,A

ACALLDATAS;使夜晶始终显示当前电机的速度

LP8:

CJNER7,#00H,LP7;速度不变时等待

LJMPLP8;速度变时重新读入速度

LP7:

SJMPLP4

CHUSHI:

;使夜晶显示的一些初始设置

ACALLBUSY

MOVP1,#00000001B;清屏并光标复位

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#00111000B;设置显示模式:

8位2行5x7点阵

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#00001111B;显示器开、光标开、光标允许闪烁

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#00000110B;文字不动，光标自动右移

ACALLENABLE

ACALLBUSY

MOVP1,#80H;写入显示起始地址

ACALLENABLE

RET

ENABLE:

;写入控制命令的子程序

SETBE

CLRRS

CLRRW

CLRE

RET

DATAS:

;写入数据子程序

SETBE

SETBRS

CLRRW

CLRE

RET

BUSY:

;准备写入数据

CLRE

MOVP1,#0FFH

CLRRS

SETBRW

SETBE

JBP1.7,BUSY

RET

ORG2000H

DINGSHI:

;定时中断服务程序

CPLP0.7

JNBP0.7,Z1;周期一定

MOVA,#0FFH

SUBBA,R0

MOVTH0,A

SETBTR0

RETI

Z1:

MOVTH0,R0;脉宽

SETBTR0

RETI

BUTTON:

;从控制键盘中读取操作命令

PUSHACC

CLREX0

CLREA

INCR7;

MOVA,#0FFH

MOVP2,A

MOVA,P2

JNBACC.0,AA0

JNBACC.1,KK0

JNBACC.2,ZZ

JNBACC.3,FF

JNBACC.4,WW0

AJMPQQ

AA0:

CJNER0,#0FFH,AA1;加速操作

AJMPQQ

AA1:

MOVA,R0

ADDA,#5

MOVR0,A

AJMPQQ

KK0:

CJNER0,#00,MM;减速操作

AJMPQQ

MM:

MOVA,R0

SUBBA,#5

MOVR0,A

AJMPQQ

QQ:

MOVA,R0

MOVB,#5

DIVAB

MOVB,#10

DIVAB

MOVR3,A

MOVR4,B

SETBEX0

LCALLDELAY

SETBEA

POPACC

RETI

ZZ:

SETBP0.5;正转操作

CLRP0.6

MOVR2,#2BH;正转标志"+"

LCALLDELAY

SETBEX0

SETBEA

POPACC

RETI

FF:

CLRP0.5;反转操作

SETBP0.6

MOVR2,#2DH;反转标志"-"

LCALLDELAY

SETBEX0

SETBEA

POPACC

RETI

WW0:

CLRP0.5;停止操作

CLRP0.6

LCALLDELAY

SETBEX0

SETBEA

POPACC

RETI

DELAY:

;延时子程序

MOVR5,#0E0H

MM0:

MOVR6,#30H

MM1:

DJNZR6,MM1

DJNZR5,MM0

RET

TAB:

DB53H,45H,54H,20H

DB53H,50H,45H,45H;"SETSPEEDPLEASE"代码

DB44H,20H,50H,4CH

DB45H,41H,53H,45H

STAB:

DB30H,31H,32H,33H

DB34H,35H,36H,37H;"0,1,2,3,4,5,6,7"代码

DB38H,39H,41H,42H;"8,9,A,B,C,D,E,F"

DB43H,44H,45H,46H

MMTAB:

DB43H,4FH,52H,52H

DB45H,4EH,54H,20H;"CURRENT:

"代码

DB3AH

END

4系统仿真

LCD液晶显示电路的系统仿真与调试：

在PROTEUS运行环境中首先检验LCD显示电路，添加程序，运行LCD液晶显示电路能，系统若运行成功将得到如图4.1。

此后在之前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图4.2所示。

图4.1LCD液晶显示字符初步调试

图4.2带中断控制的LCD液晶显示

调试用带中断的键盘来控制直流电机驱动模块的部分电路，若按要求调试成功，将得到图4.3。

图4.3用带中断的键盘来控制的电机

启动目标系统，按正转，然后接加速开关，我们观察到电机开始运转，每按一次加速，电机的

展开阅读全文