直流电机调速课程设计.docx
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直流电机调速课程设计
1引言
嵌入式微控制器又称单片机。
嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM、PEPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时P计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出、APD、DPA、FlashRAM、E2PROM等各种必要功能和外设。
为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。
这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本，其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。
ARM是近年来发展非常迅速的处理器，有很好的应用前景。
将其应用于直流电机的调速控制，有极大的使用价值。
以脉宽调制技术为代表的电机数字驱动技术也在迅猛发展，将计算机应用于这一领域正好可以发挥其在数字控制方面的优势。
本课题研究了一种直流电机转速的控制系统。
基本思想就是利用ARM开发板具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期（频率）的前提下，通过软件的方法调整PWM的占空比，控制电机输入电压，进而控制电机转速。
本方法所要求的ARM开发板必须具有PWM端口，另外，ARM芯片的工作速度尽量快。
在收到上位机指令后调整输出PWM占空比。
脉冲宽度调制是直流电机调速中最为有效的方法，即给直流电机输入高速的开关脉冲信号，通过改变脉冲信号开关的比例，达到速度控制的效果。
系统中使用的是前一种固定频率下改变占空比的PWM方法，在整个过程中改变的仅仅是电压信号的占空比，至于其它参数，尤其是脉冲频率并没有改变，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率。
电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。
PWM采用软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，实现了硬件设计软件化。
PWM技术是降低直流电机功耗的一种好方法，它使驱动芯片和电机的发热减少，从而电机也可以用得更久。
并且较好地实现了对直流电机的速度控制，简化了电路，并具有精度高、快速响应性好、稳定性高等优点，具有很好的应用前景。
2总体方案设计：
数字式直流电机转速控制系统设计有控制器、PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出五部分。
PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出都是由控制器控制实施的。
总体框图1-1所示：
单片机
转速测量
PWM驱动
转速显示
按键接口
供电电源
直流电机
图1-1
电机转速是通过光电传感器检测产生触发脉冲经过触发器分频触发单片机中断计数，经定时计数得到标准计数值，由单片机对数据的计算、处理，建立了时间和脉冲的关系式，得到每分中电机的转速。
将转速与给定转速作差得到偏差量，再由PID进行调节，使转速趋近给定转速实现控制。
电机的速控是通过PWM方式控制的。
PWM是由三角波发生电路、比较器、反馈电路。
反馈是由单片机输入偏差量给高速的DA，由DA输出反馈值作用PWM中达到闭环反馈控制。
电机是由集成H桥芯片驱动，为了防止电压的扰动控制中增，加了
型滤波电路平直电流。
电机正反转是由电压的正负方向控制的。
当切换方向时电路中
型滤波电路的电感会产生反电动势会影响系统供电，严重会使系统无法正常工作。
所以切换使用了继电器作为切换开关。
按键功能可以设定转速，控制电机的转动的正反方向。
显示电路是用了高亮数码管显示。
系统是以高精度和实时性相协调的原则的基础上设计的。
2.1方案论证与比较：
2.1PWM电路选择
直流电机是利用PWM进行调速，PWM可以由软件编程实现，也可由硬件电路实现，但在设计要求精度和实时性都比较高的情况下，单独使用二者之一是不能完全实现的。
因此我们选择了两种典型电路来实现PWM，方案如下：
2.1.1由单片机直接控制的PWM
由图2-1所示可以看到是利用单片机给出比较脉冲，可实现PWM脉宽控制。
这样占用了单片机资源，更重要的是占用了它的大量时间作计算，这样就失去了控制的实时性。
图2-1
2.1.2利用高速的DA实现的PWM
图2-2
图2-2用MAX5441作为控制脉宽，MAX5441是高速的十六位DA，大大增加了单片机的工作效率，实现了可调脉宽的高精度和实时性。
因此我们选择了图2-2的电路作为PWM最终电路。
2.2检测装置电路的选择与实现方案
作为脉冲检测的传感器多种多样，究竟选择什么样的传感器需要考虑诸多因素，我们在设计的方案中测试了几类型的传感器：
霍尔传感器、红外传感器、光电传感器。
2.2.1霍尔传感器
霍尔传感器是利用霍尔效应原理产生的，霍尔德输入端是以磁感应强度B来度量的，当磁感应强度到达一定程度时，霍尔内部触发器翻转。
霍尔得输出电平也随之翻转。
我们用的是A3144。
如图2-3所示A3144外接电路图，其中输出OUT端须接上拉电阻。
OUT接单片机的外部中断。
VCC和GND是霍尔德电源接口。
测试效果不错，能测试出电机的转速。
但由于电机本身也是电磁感应装置，所以在近距离测试时会产生干扰。
影响霍尔正常工作。
图2-3
2.2.2光电传感器
光电传感器是主要利用光电效应原理集成的传感器。
它具有响应速度快、结构简单、可靠性高等优点。
其内部结构是由发光二极管和光敏三极管组成。
其相对的平面各开有小玻璃窗口。
电路结构如图示四所示:
光敏三极管只伸出集电极和发射极、基极是受光面，当有光照时三极管导通，OUT输出低电平，无光照时三极管截止，OUT输出高电平。
图2-4
其响应速度是微秒级，足以跟踪电机的转速。
它不受外界电磁的干扰，很适应电机近距离工作，不受电机磁场的影响。
设计的电路图如图2-5所示：
发光二极管始终通电，发光二极管与光敏三极管之间是电机的叶轮。
通过叶轮的遮挡和缺口给定光敏三极管基极光源。
使三极管产生脉冲送出去。
图2-5
通过对上述两个传感器的比较，在本设计中我选择了光电传感器。
因其响应速度快而且不受电磁干扰，得到更优的控制效果。
3电路设计方案及参数计算
3.1PWM控制电路设计
PWM是由锯齿波发生器、高速比较器、脉冲控制装置组成，其中的每一个环节都影响PWM的品质。
在设计中每个环节都经过计算、实验、调节。
3.1.1锯齿波发生电路
为了简单方便设计中使用了RC振荡电路。
如图3-1所示，R1、R14、D4、D5和Q3形成恒流源。
D4、D5保证三极管Q3保持导通，使电容C1有持续的充电电流。
R2和R5分压使LM358的负输入端V-V-的电压稳定在0.3V。
当电容C1充电电压大于LM358的负输入端V-时358输出正电压，使Q4导通实现对C1放电。
周而复始对C1的冲放电实现了锯齿波产生。
锯齿波的振幅为0.9V，周期15KHz。
D6是保护三极管防止C1反电动势击穿三极管。
图3-1
由上述的锯齿波产生的波形如下：
图3-2
3.1.2比较电路及D/A接口：
由锯齿波发生电路产生的锯齿波输入到高速比较器LM311的负输入端，MAX5441的输出接到比较器的正输入端两者经过比较输出可变的脉宽。
比较器的速度是一个非常重要的参数，LM311响应时间是200ns，这个时间可以快速的响应比较过程。
MAX5441是MAXIM公司生产的高精度十六位串行DA。
其电压基准是2.5V，则它输出的电压为0V—2.5V。
DA的分辨率为
=0.038mV。
如此高的分辨率可产生成精细的电压值。
再经过高速比较器与锯齿波比较可产生精细可变的脉宽。
其周期为锯齿波的周期20kHz。
电路接线如图3-3所示，MAX5441的CS、SCLK、DIN、CLR接单片机I/O端口、OUT是锯齿波、PWM是输出的可变脉宽。
图3-3
整个PWM调速控制电路产生的脉宽波形如下：
图3-4
当DA的输出值不同时与锯齿波比较输出脉宽不同波改变了占空比，形成可变脉宽。
3.2检测电路设计
转速检测是在现场环境下工作，其抗干扰和测量的准确性是整个系统设计的根本。
选择光电传感器LTH-301A，它具有抗磁干扰、高可靠性、快速性。
传感器每受光一次产生一个低脉冲。
通过计算一个低脉冲周期单片机的时钟数，测算出电机转速。
设计中利用了D触发器74LS74将脉冲进行二分频。
具体电路如图3-5所示：
图3-5
脉冲通过D触发器进行二分频把信号传给单片机的外部中断INT0，INT0设置成下降沿触发，由于此巧妙的设计，单片机计数值是电机每转一圈的计数值，实现了脉宽计数，电机的转速是以转/每分计，而单片机使用的是12MHz的晶振，每一次计数是1us，一分钟为6000000us，则设转速为n，计数值为N。
则
3.3电机驱动电路和正反转向切换电路
电机驱动需要足够的电流，设计中使用集成H桥L293D，L293D驱动电流1.2A，内集成H桥组成推挽电路。
L293D接收PWM的电压组成两组驱动，这样可交替使用便于控制电机的旋转方向。
系统中加入LC滤波电路，滤除电路中的纹波，消除电路的扰动队单片机的干扰，同时加入继电器控制正反转为了防止开关切换时电机产生的反电动势影响系统工作。
经过一系列的保护措施，可保障电机平稳的调速。
设计电路图如图3-6所示：
图3-6
下图是滤波电路和继电器切换电路，切换主要是对L293D的不同工作方式的切换，来改变电机的旋转方向
图3-7
3.4源程序指令
4软硬件调试
4.1硬件调试
电路连接后查找电源和地线连接是否正确，否则很容易使芯片烧坏，电路经仔细查找无误后再接通电路。
首先对锯齿波发生电路进行测试是否产生锯齿波，其次调节恒流源电流和LM358正输入电压，近而得到大致频率和幅值。
然后再与软件结合调试。
测试L293D电机驱动电路，它的两个使能控制端EN分别控制一组桥路，每次只有一组有效。
分别检测是否正常工作。
光电传感器是直接测试电机的部分，要对其特别仔细的检查，并用示波器取其波形验证其波形是否为脉冲波。
高电平是否达到5V，低电平是否小于1V。
通过调试，无误后，上电进行下一步软件调试。
4.2软件调试
软件担负着数据计算，数据处理，显示，设定等多项任务。
应分别进行测试。
首先应作显示，有了显示能更好的调试其它环节。
显示部分使用74HC595驱动数码管静态显示，设计中用串口发送数据，定时显示刷新。
定时刷新采用定时器T1，由单片机的计数器T0为对外部脉冲触发计数。
将得到的计数值代入公式
（n：
转速N：
计数值）计算出转速，送入显示电路显示。
将转速与给定的转速相减得到转速偏差量，计算PID参数通过编程实现PID调节。
将转速换算成DA值送入DA中反馈给PWM实现对电机的实时控制。
最后编写按键程序。
4.3软硬件结合调试
参考题目要求首先通过软件测试，看是否能达到要求的指标，如若不能则修改硬件电路参数。
或两者同时调节使设计的系统达到设计的要求。
5测试数据及测试结果分析
转速n
与DA值y
对应表5.1：
Y
5
6
7
8
9
10
11
12
13
n
528
570
617
678
770
905
1070
1215
1320
Y
14
15
16
17
18
19
20
25
30
n
1390
1440
1490
1530
1565
1595
1630
1790
1925
对上述测试数据统计分析作图如下：
图5-1
理想曲线是经过多次测量取其平均值作商得到理想直线斜率。
从而作出图中的直线。
而曲线是经过反复的测试的道的数据利用描点法作出的。
图5-1所示实际曲线与理想曲线相比差别很大，设计中避免以理想曲线控制，造成不良影响。
将DA值和对应的转速值以数组的方式存入单片机中。
用查表的方法进行反馈控制。
使控制系统指标。
6使用说明
数字式直流电机转速控制系统外封装为数码显示、按键、电机及检测装置。
左键为设定和退出设定键，在设定状态时数码管跟踪显示设定值。
在设定时中间键为加数键，在加数时按下设定键（左键）可实现加速加数。
在设定时右键为减数键，同上在减数的基础上按下设定键（左键）可实现加速减数。
退出设定为控制状态。
在控制状态按下右键实现反向转速。
其中指示灯上亮下灭时，为控制状态，全亮时为控制状态。
7结论
数字式直流电机转速控制系统是由硬件和软件巧妙相结合做到最大限度的消除误差完成了基本要求。
在反复修改系统调节功能达到了发挥部分的要求。
实现了电机转速控制的智能化。
PWM技术是直流电机调速中最为有效的方法。
本文对直流电机PWM调速系统进行分析，详细介绍系统的工作原理及其实现方法，阐述了利用ARM处理器对直流电机进行调速控制的方式和实现的方法。
综合应用嵌入式系统技术、PWM脉宽调制技术，按键控制ARM开发板片内外设PWM输出、引脚输出。
主要的研究结果如下：
（1）介绍了PWM直流电机驱动原理，对使用L298N型直流电机驱动模块进行分析和阐述；并利用ARM1138开发板输出控制L298N驱动电路进而控制两个直流电机运转，详细说明其原理和接线图；
（2）移植实时嵌入式系统Cortex™-M3内核内核到ARM1138开发板，对针对此开发板的片内外设PWM端口、GPIO端口写出了驱动程序；调节速度转向及液晶显示的程序。
并且采用比例算法闭环控制实现了对转速的最优化调节，减少误差；
（3）采用按键完成人与机器之间的互动，同时采用液晶显示双电机转速信息；
直流电机的调速控制是一个复杂的系统工程，涉及许多学科领域。
用ARM实现直流电机的PWM调速控制是其中一个研究热点。
利用现有的嵌入式操作系统可以缩短开发周期、降低开发成本。
直流电机作为执行元件，在科技的进步中起到了非常重要的作用，而直流电机调速系统可方便地应用于各种自动化控制领域。
通过本次设计，加强了对ARM1138应用知识的掌握，同时对使用ARM1138实现自动化控制的设计过程有了全面地了解。
通过学习控制系统工作原理以及如何利用ARM1138制双直流电机，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。
同时在对硬件电路设计的过程中，巩固了我的专业课知识，在编写程序中提高了自己的逻辑思维能力，总之本次设计使我受益匪浅当然在本次设计中还有需要完善的地方，比如在电机驱动电路和ARM开发板之间加入滤波电路以增强抗干扰能力及保护电机的驱动电路。
随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的PWM控制方式已成为主流。
这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
直流电动机转速n的表达式为：
式中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，Φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。
由式可知，直流电机的转速控制方法可分为两类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。
本文介绍的方法就是在励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现直流电机调速。
8系统设计原理框图
参考文献
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西安电子科技大学出版社，1993
2李朝青.单片机原理及接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，2003
3胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：
清华大学出版社，2003
4杨忠煌，黄博俊，李文昌.单芯片8051实务与应用.北京：
中国水利水电出版社，2001
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