直流电机控制系统.docx

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直流电机控制系统

毕业设计（论文）

题目：

直流电机控制系统

姓名

学号

专业

年级

指导教师

完成时间

任务书

系（部）专业班学生学号

一、毕业设计（论文）题目：

二、毕业设计（论文）工作规定进行的日期：

09年11月日起至10年1月17日止

三、毕业设计（论文）进行地点：

四、任务书的内容：

目的：

任务：

工作日程安排：

设计（论文）要求：

主要参考文献：

学生开始执行任务书日期200年月日指导教师签名：

年月日

学生送交毕业设计（论文）日期：

200年月日教研室主任签名：

年月日

学生签名：

年月日

一、引言-------------------------------------------------------5

二、设计方案比较与分析----------------------------------6

1、电机速度控制模块----------------------------------6

2、电机测速模块--------------------------------------7

3、电机速度显示模块---------------------------------8

三、系统设计与分析-------------------------------------9

1、系统的硬件电路设计与分析-------------------9

2、系统的软件设计---------------------------------14

四、测试结果与分析------------------------------------16

五、结论----------------------------------------------------16

参考文献-----------------------------------------------------17

附录1、系统硬件电路原理图--------------------------------18

附录2、系统程序----------------------------------------------19

摘要

当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。

长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。

它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。

随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。

为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

本文设计开发了一套基于单片机的直流电机多速控制器，作为其配套的试验装置。

论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。

硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以AT89S52单片机为核心的硬件构成，对调速电路、测量电路、闭环检测电路和显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。

论述了软件的设计思想和方法;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速、正转、反转和显示等功能。

利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。

针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软件设计等多方面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。

运行结果表明，系统实现了电机的高精度多速度控制，达到了性能指标要求。

Abstract

Nowadays，automaticcontrolsystemshavebeenwidelyusedanddevelopedineveryaspectoflife.Asthearteryintheareaofelectricdrivesystems,DCdriversbecomemoreandmoreimportantmodernproduction.Foralongtime,DCmotorhaspossessedthemainroleintheareaofelectricdrivebecauseofitsneatlyadjustment,simplemethodandsmoothtiminginawiderange,besides,itscontrolperformanceisexcellent.DCmotoriswidelyusedontheautomaticequipments,suchasCNCandindustrialrobot.Asthescaleofproductionbecomeslargerandlargerthedemandandrequirementsbecomehigherandhigher,sotheresearchonimprovingtheDCcontrollingsystembehaviorhasimportantsense.

ThispapersystemofDCmotormultiplespeedsbasedonSTCMCUisdesigned,asitsnecessarytestequipment.Itfinishedthetotalprojectdesignofsystemandmodelselection.Thehardwareandsoftwaredesignofthesystemaccordingtotheprecedingsolutionsarediscusseddetailed.Forthehardwarepartafteradissertationonthewholedesign，thecorehardwareofthecontrolsystemistheSTCMCU,thepaperintroducedthedetailsofsomehardwareproblem，includinginputcircuitofkeyboard，serialcommunicationcircuit,measurecircuit,D/Aswitchingcircuitanddisplaycircuitandsoon.Themethodofsoftwareplanningforitisalsodiscussed.Forthesoftwarepart，withtheintroductionofmodulardesignconceptsomeprocedureflowchartsofmainprogramsubroutineareoffered.Thepaperdesignsthesoftwarewhichachievesthefunctions，suchasinstallparameters,downloadparameters，startupstopaccelerateanddecelerate.ThisnewfamilyofSTCenablescost—effectivedesignofcontrollersforDCmotorswhichcanfulfillmoreconditions，consistingofFewersystemcomponents,lowersystemcostandincreasedperformances.

Aimingatthecharacteristicofbedenvironmentandseriousdisturbance，manyKindsofsoftwareandhardwaretechnologyareappliedtoimprovesystematicAnti—interferenceability，whichcomprehensivelyimprovesystematicdependabilityandpracticability.Ithasbeenprovedbyexperimentsthatthissystemcanmakethehighpreciseandmultiplespeedmotorcontrolcometrue.Steppingouttheperformanceindexisrealized.Nowthissystemhasbeenputintoexperiment.

关键字AT89S52，PWM，电机控制

引言

直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使用。

常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工作频率受电源频率的限制,难以满足高精度的调速要求，不利于广泛推广。

如何才能使电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。

第一章设计方案比较与分析

一、电机调速控制模块：

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：

采用集成芯片L298N。

L298N是SGS（通标标准技术服务有限公司）公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点，使用它和PWM技术可控制驱动电流大小以达到电机速度的调整。

兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。

二、电机测速模块

方案一：

使用霍尔传感器。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小和耐高温等特点，在机车控制系统中占有非常重要的地位。

对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间。

其对硬件电路要求也要高。

方案二：

使用光电码盘。

光电码盘是由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分。

工作时，光投射在码盘上，码盘随运动物体一起旋转，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”，当码盘旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了码盘轴的角位移。

但其使用较麻烦，准确度与反应速度不高。

对软件方面要求也高。

方案三：

使用光电开关GK105。

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

如下图。

  GK105的标准用法，A端1K、C端10K。

接上电路AT89S52检测到光电管的状态变化，得到信号。

使用它不仅电路简单，且很实用，反应快，准确度高。

兼于方案三测速性能优良、价格便宜、调速范围广、使用简单，因此本设计采用方案三。

三、电机速度显示模块

方案一：

使用数码管。

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

由于本电路要求。

要4位一体的数码管才行，但其硬件电路复杂，且只能显示单纯的数字，不能显示电机运转状态。

方案二:

使用液晶LCD1602.1602是能显示2行，每行16个字符，字符包括英文字符及阿拉伯数字。

但其不能显示汉字。

方案三　：

使用液晶12864.带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

兼于方案三显示性能优良、价格适中、使用范围广、使用简单，因此本设计采用方案三。

第三章系统分析与设计

一、系统的硬件电路设计与分析

1、电机转速控制

1.1控制方法及分析

直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，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。

所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。

调节电阻r即可改变端电压，达到调速目的。

但这种传统的调压调速方法效率低。

现在一般采用脉冲宽度调制（PWM）控制技术来实现电机速度调整。

该技术稳定性好，易控制，精度高。

（1）PWM定义

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它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，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

（2）调速原理

PWM是通过固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。

通过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”。

如图2所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电机的平均速度得到控制。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Vd=Vmax*D.式中，Vd---电机的平均速度；Vmax---电机全通电时的速度（最大）；D=t1/T---占空比。

由公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格的讲，平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

（3）实现方法

PWM信号的产生通常有两种方法：

一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。

由于后一种方法较复杂，操作起来也麻烦。

所以我们采用以软件的方法来产生PWM信号，即使用单片机。

单片机AT89S52是具有两个定时器T0和T1。

通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从89s52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。

由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同的单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。

因此，首先明确定时器的定时初值与定时时间的关系。

如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N

位，则定时器初值与定时时间的关系为：

式中，Tw----定时器定时初值；N----一个机器周期的时钟熟。

N随着机型的不同而不同。

在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。

这样，我们可以通过设定不同的定时初值Tw，从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。

注：

占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。

1.2电机转速控制元件选用及分析

（1）单片机

单片机选用AT89S52，其与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

功能特性描述

　　At89s52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。

（2）电机驱动芯片

L298是SGS（通标标准技术服务有限公司）公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

且其有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点。

其能很好满足电路设计要求。

如图为其内部结构图；

其基本工作原理为：

IN1、IN2配合可以控制电机的转向，ENA为使能端当设定好电机转向后，对ENA进行高频PWM调制输入，在电枢电感滤波的作用下，电机就可以得到低于电源电压的实际工作电压。

当ENA=1时，电机端电压U=Vs，当ENA=0时，电机通过主开关管的反并联二极管（图中未示出）虚流，实际相当于电机反转在电源两端，电机端电压U=Vs，因此，可以推出，当ENA的占空比为D时，电机实际获得的端电压值为：

U=（2D-1）*Vs。

（而实际上由于电机是消耗电能，因此D<0.5时是不能工作的）

即DC/DC降压电路的传函为：

Us=Vs*（2F（S）-1）.

2、电机测速及显示

使用光电传感器GK105测电机速度，该传感器结构简单，使用方便，较廉价。

速度显示使用液晶YB12864.该液晶能显示汉英文字符及数字且实用，电机速度，及运转状态能直观大方显示出来。

3、电机闭环检测系统

闭环检测系统是检测输出、计算误差并用以纠正误差的控制系统，其输出会通过某种途径变换后反馈回输入端。

由于上述电机系统在开环状态下，电机系统存在稳态误差，为消除稳态误差，控制器中应包含积分项。

要求电机系统的超调量小，即要求有较大的相角裕度，设计要求超调量小，则控制器拟采用PL控制器，在S域进行控制系统的设计。

经过模拟仿真验证和实际操作，加入了PL调节器的闭环系统在消除了稳态误差，获得抗扰能力的同时，又具有较好的动态性能。

二、系统的软件设计

本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和12864显示等部分的设计。

单片机资源分配如下表：

P0

显示模块接口

外部中断0

（P3.2）

键盘中断

P2.7/2.6/2.5/2.4

键盘模块接口

P2.0/P2.1

PWM电机驱动接口

内部定时器0

系统时钟

系统主函数流程如图三：

4PWM脉宽控制：

本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如下：

voiddelay（unsignedchardlylevel）{

inti=50*dlylevel;

while（--i）;}

此函数为带参数DLYLEVEL，约产生DLYLEVEL*400us的延时，因此一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数hlt和低电平持续时间系数llt组成，本设计中采用的脉冲频率为25Hz，可得hlt+llt=100，占空比为hlt/（hlt+llt），因此要实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量hlt，llt的值，该子程序流程图如图四。

②键盘中断处理子程序：

采用中断方式，按下键，单片机P3.2脚产生一负跳沿，响应该中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。

调速档、持续加/减速：

调速档通过（0-9）共10档固定占空比，即相应档位相应改变hlt，llt的值，以实现调速档位的实现。

而要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少1%占空比（即hlt++/--;llt--/++）,其程序流程图如图五。

③显示子程序：

利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个LED管要显示的值。

显示子程序为一带参子程序，参数为显示缓存的数组名，通过for（i=0;i<8;i++）方式对每位加上位选码，送到P0口并进行一两毫秒延时。

该显示子程序只对各个LED管分别点亮一次，因此在运行过