机车直流PWM调速系统打印版.docx
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机车直流PWM调速系统打印版
摘要
当今社会存在有多种形式的能量，例如核能、热能、势能、风能、化学能、太阳能等。
但可以直接或作为载体被人们在生产、生活使用的能量大多数是电能，而电机可以把电能转化为动能或把其它形式能量转化为电能。
电机对于科学技术的发展，改变社会的生产面貌，推动人类社会向前发展，具有极其重要的意义。
本论文设计的直流电机控制方法是利用单片机和脉宽调制控制技术（简称为PWM）实现对直流电机的转速调节、正转、反转及停车控制。
采用了这种新型的PWM控制方法有其独特的优异性，具体来说主要有以下几点：
（1）电路结构简单，需要的功率组件很少，这里只利用AT89S52单片机和模数转换器ADC0832及1602LCD模块组，大大节省了工程成本。
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小。
（3）低速性能好，调速范围宽。
（4）快速响应性能好，动态抗干扰能力强，当电动机的负载发生变化时，控制部分能够快速调整输出PWM信号的占空比，使得电动机维持在既定的转速上。
（5）主电路组件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。
（6）控制简便，只要通过键盘输入想要的转速，系统自动改变控制PWM信号占空比的参数就能实现对直流电机的转速设置，使其在理论上能够稳定在任意速度工作。
关键词：
单片机模数转换器PWM
目录
1概述1
1.1选题背景1
1.2设计内容1
2单闭环控制直流脉宽调速系统3
2.1直流电机的PWM调速原理3
2.2调速系统的静态指标5
2.3PWM下直流电机的运行状态6
2.4PWM变换器的类型6
3PWM调速控制系统硬件设计8
3.1AT89S52单片机简介8
3.1.1引脚排列及功能AT89C529
3.1.2I/O口线9
3.1.3FLASH编程的串行模式11
3.2主电路设计PWM12
3.3MOSFET驱动电路设计14
3.4A/D转换器15
3.5Flash存储器16
3.6Cs6839霍尔线形集成传感器19
3.7I/O口串行扩展芯片20
3.8键盘21
3.9R-S触发器防抖电路23
3.10硬件电路设计特点24
4PWM调速控制系统软件设计26
4.1主程序26
4.2转速调节子程序26
4.3ADC0832的模数转换子程序28
4.4Flash存储器30
4.5键盘与PCF857433
4.6遇障碍功能子程序35
结论37
参考文献38
1概述
1.1选题背景
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。
虽然交流调速控制系统已经广泛地应用于各种场合但在某些特殊邻域它不能取代直流电动机因此研究直流电动机控制任有其特殊意义。
低转速、大扭矩输出的场合，交流调速的外特性曲线较软，在低频区（0-5Hz）不稳定，这时就表现出了直流调速的优越性，多用于大型数控机床或工作母机。
步进与伺服电机都属直流调速范畴，其应用之广泛不言而喻。
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（pulsewidthmodulation,简称PWM）已成为直流电动机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。
由于直流PWM调速系统具有良好的动态和静态性能，因而直流PWM调速系统在生产和生活中有很多应用，例如军事方面坦克炮塔的驱动，雷达的转向驱动等；工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、新型工业缝纫机、洗衣机、泵、自动车库门的驱动等。
1.2设计内容
直流PWM调速系统，可以随时改变和设定电机的转速，而且所控制的对象是普通的直流电机，跟他们所普遍使用的变频电机比起来将节省大量的成本。
虽然我所使用的技术理论是早已成熟和定型的直流脉宽调速技术，但结合了单片机等数字技术的脉宽调速技术，将在中小功率直流电机领域里焕发新的活力。
本设计的核心部分是由AT89S52单片机产生PWM信号对直流电机进行转速调节、控制。
这些内容大部分都是通过软件来完成，因而本设计的设计要求也主要由软件来完成。
设计主要内容如下：
首先对直流电机的PWM调速控制原理进行了详细的叙述，说明其在本设计中的应用原理。
接着在硬件设计部分详细说明了AT89S52、外部Flash存储器AT45D041、模数ADC0832转换器、液晶显示器1602及I/O口串行扩展芯片PCF8574。
构成了单片机产生PWM波形的控制电路，采用H型双极性斩波电路、泵升电压泄放电路、反馈电路及光电耦合驱动电路构成直流脉宽调速的主电路，
最后，在基于单片机控制的PWM直流电机调速的软件设计部分详细介绍了实现本设计要求的主程序及几个主要调用、中断子程序的功能，实现方法及其程序流程图。
2单闭环控制直流脉宽调速系统
2.1直流电机的PWM调速原理
直流电动机转速n的表达式为式2-1
式中：
Ua—电枢端电压（V）；
Ia—电枢电流（A）；
Ra—电枢电路总电阻（W）；
F—每极磁通量（Wb）；
Ce—与电机结构有关的常数。
由式（2—1）可知，直流电动机转速n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Ф,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。
所以现在大多数常用的控制方法是改变电枢端电压凋速的方法[4]。
本文介绍的PWM法就是在电机励磁不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速的。
（a）原理图（b）输入输出波形
图2—1是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。
在图2-1（a）中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Ud。
t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
T2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图1-1所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值Ua为：
（2-2）
式（2-2）中
（2-3）
由上式知，当电源电压Ud不变时电枢两端的电压平均值就决定于占空比a的大小了[2]。
占空比用希腊字母a来表示，由图2.1，a=T1/T就是占空比的定义式，它表示了在一个脉冲周期内，开关管导通的时间与周期的比值，a的可变化范围是0≤a≤1，在PWM调速时，占空比a是一个很重要的参数。
以下3种方法都可以改变占空比的值：
a、定宽调频法：
这种方法是保持T1不变，只改变T2，这样使周期T（或频率）也随之改变。
b、调频调宽法：
这种方法是保持T2不变，而改变T1，这种使周期T（或频率）也随之改变。
c、定频调宽法:
这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起震荡，因此这两种方法用得很少。
所以，在此直流电动机的控制中，采用定频率调宽法。
2.2调速系统的静态指标
第一个指标为调速范围D，它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比：
（2-4）
另一个指标为静差率s，它是电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速n0之比。
（2-5）
它表示负载变化引起调速系统的转速偏离原定转速的程度。
系统的调速特性越硬，s越小，说明系统的稳定性能越好。
另外，转速越低，静差率越大，故调速系统静差率指标以最低转速对应的数值为准。
在考虑生产机械对转速相对性（即静差率）的要求后，电动机最低转速受到了限制，也即调速范围受到限制。
采用降压调速时，调速范围、静差率及转速降三者关系为：
（2-6）
式（2-6）表达了调速范围D、静差率S和转速降Dn之间应满足的关系。
对于一个调速系统，其特性硬度或Dn值是一定的，如果静差率S的要求越严，系统允许的调速范围D越小。
例如：
某调速系统电动机的额定转速n0=1430r/min，额定速降为Dn=110r/min，当要求静差率分别为s≤30%和s≤10%时，计算允许的调速范围。
如果要求静差率s≤30%，则
如果要求静差率s≤10%，则
2.3PWM下直流电机的运行状态
因为a的变化范围均为0≤a≤1，所以用定频调宽法改变电枢电压的平均值Ua的调节范围只能为0～Ud，均为正值，即电机只能在某一方向调速，称为单机单极式调速。
当需要电机在正、反向两个方向凋速运转，即双极调速时，就要使用下图（2-2a）所示的桥式（或称H型）电路。
电机电枢端电压的平均值为：
（2-7）
这样即使a的变化范围为0≤a≤1，电枢电压的平均值Ua的调节范围也会变为-Ud～+Ud，因此电机可以在正、反两个方向调速运转[7]。
（a）原理图（b）输出电压波形
2.4PWM变换器的类型
PWM变换器有不可逆变和可逆变两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。
在电力电子技术中，将交流电变为直流电称为整流，把直流电变为交流电称为逆变。
将直流电逆变成与交流电网同频率的交流电输送给电网，这种逆变成为有源逆变。
如果将直流电逆变成的交流电与电网无联系，或者仅供给具体用电设备，这种逆变成为无源逆变。
而对于可逆变换器，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式，单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，作用在电机电枢两端的电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个PWM周期内，作用在电机电枢两端的电压极性是正负交替的。
此外，按照电机运行过程中有无制动又可将直流电机的控制系统分为有制动控制系统和无制动控制系统。
本设计的直流电机的控制系统采用电机的驱动方法是双极性可逆驱动，因此该系统就是双极性驱动可逆PWM系统。
3PWM调速控制系统硬件设计
由于本设计采用的AT89S52单片机没有专门的PWM信号输出功能，而本系统的核心部分就是利用单片机来输出PWM信号，这样就只好借助于软件的方法来实现AT89S52的PWM信号输出。
3.1AT89S52单片机简介
本设计使用的是AT89S52单片机，由于AT89系列单片机继承了MCS-51的原有功能，内部含有大容量的Flash内存，又增加了新的功能，如看门狗定时器WDT、ISP及SPI串行接口技术等，因此在电子产品开发及智能化仪器仪表中有着广泛的应用，是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一
AT89S52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C51在引脚排列、硬件组成、工作特性和指令系统等方面完全兼容。
其主要工作特性是：
片内程序内存内含8KB的Flash程序内存，可擦写寿命1000次；
片内数据存储器内含256字节的RAM；
具有32根可编程I/O口线；
具有3个可编程定时器T0，T1和T2；
中断系统是具有8个中断源，6个中断向量，2级优先权的中断结构；
串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；
具有一个数据指针DPTR；
含有1个看门狗定时器；
具有掉电标志POF；
具有3级程序锁定位；
低工耗工作模式有空闲模式和掉电模式；
具有可编程的3级程序锁定位；
AT89C52工作电源电压为5V（1+/-0.5V），且典型电压为5V；
AT89C52最高工作频率为24MHz[12]。
3.1.1引脚排列及功能AT89C52
单片机的引脚排列如图3.1
图31AT89S52封装图
3.1.2I/O口线
P0口—8位、漏极开路的双向I/O口，
当使用片外内存及外扩I/O口时，P0口作为低字节地址/数据复用线。
在编程时，P0口可用于接收指令代码；在程序校验时，P0口可输出指令位元组，但需要加外部上拉电阻。
P0口也可作为通用I/O口使用，但需要加上拉电阻，变为准双向口。
当作为普通输入时，应将输出锁存器置1。
P0口可驱动8个TTL负载。
P1口—8位、准双向I/O口,具有内部上拉电阻,具有定时器功能。
P1口是为用户准备的I/O双向口。
在编程和校验时，可用做输入低8位地址。
用作输入时，应先将输出锁存器置1。
P1口可驱动4个TTL负载。
另外，P1.0可作为定时器2的外部输入端，可编程脉冲输出端；P1.1口可作为定时器2的捕捉/重装触发器输入端；定时器2的计数方向控制端。
P2口—8位、准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
当时用片外内存或外扩I/O口时，P2口输出高8位地址。
在编程/校验时，P2口可接收高字节地址和某些控制信号。
P2口也可以作普通I/O口使用。
用做输入时，应先将输出锁存器置1。
P2口可驱动4个TTL负载。
P3口—8位、准双向I/O口,具有内部上拉电阻。
P3口作为普通I/O口使用。
用做输入时，应先将输出锁存器置1。
在编程/校验时，P3口可接收某些控制信号。
它可驱动4个TTL负载。
表3.-1P3口提供的各种替代功能
引脚
替代功能
说明
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
外部中断0申请
P3.3
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器0外部事件计数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件计数输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
RST—复位输入信号，高电平有效。
在震荡器稳定工作时，在RST脚施加两个机器周期（24个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。
EA/Vpp—外部程序内存访问允许信号EA。
当EA信号接地时，对ROM的读操作限定在外部程序内存，地址
为0000H—FFFFH；当EA接VCC时，对ROM的读操作从内部程序内存开始，并可延续只至外部程序内存。
PSEN—片外程序内存读选通信号PSEN，低电平有效。
在片外程序内存取指期间，当PSEN有效时，程序内存的内容被送至P0口（数据总线）；在访问外部RAM时，PSEN无效。
ALE/PROG—低字节地址锁存信号ALE。
在系统扩展时，ALE的下降沿将P0口输出的低8位地址锁存在外接的地址锁存器中，以实现低字节地址和数据的分时传送。
此外，ALE端连续输出正脉冲，频率为晶振频率的1/6，可用做外部定时脉冲使用。
但每次访问外RAM时要丢失一个ALE脉冲。
在编程期间，该引脚输入编程脉冲（PROG）。
VCC—电源电压输入引脚。
GND—电源地。
XTAL1—片内晶振器反相放大器和时钟发生线路的输入端。
使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。
XTAL2—片内晶振器反相放大器的输出端。
当使用片内振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。
当使用外部震荡器时，引脚XTAL1接收外部震荡器信号，XTAL2悬空[12]。
3.1.3FLASH编程的串行模式
在RST引脚接VCC时，FLASH可采用串行编程模式，串行接口包括SCK，SI（输入）和SO（输出）。
RST引脚变高之后，在执行串行编程各项操作之前，首先输入编程准许命令。
若为重新编程，则应先进行片擦除，擦除后每个单元为FFH。
AT89S52编程与校验的串行模式，步骤如下：
①上电次序为
在VCC和GND间加上5V电压；
RST引脚为高电平；
②在SI引脚上输入编程准许命令
③输入写命令开始编程。
若采用的是位元组编程模式，则编程的单元地址和代码的数据包括在指令的第2，3，4字节中，每写入一次指令，只编程一个字节。
写周期采用的是内部自动定时，典型值不大于1ms。
④应用读指令可在SI引脚上读出任何单元的内容，可用于编程校验
⑤编程结束后，RST引脚变低，以开始正常操作
3.2主电路设计PWM
逆变器所需提供的直流电源，除功率很小的逆变器可以用电池外，绝大多数都要从市电电源整流后得到。
整流器一般采用不可控的二极管整流电路。
本设计采用单相不可控整流电路提供直流电源，用电容进行滤波。
PWM控制采用绝缘栅双极型晶体管MOSFET作为开关器件，利用续流二极管和电阻作为MOSFET的驱动保护电路，这样，大幅度提高了开关频率，使得直流电机运行平稳，电路采用双极性H型工作方式，电路图如下所示
其工作过程为：
当t1时，Ub1、Ub4为高电平，Ub2、Ub4为低电平，VT1与VT4饱和导通，VT2与VT3承受反压截止，UAB=+US电枢电流VT1-M-VT4流通。
当t3时，Ub1、Ub4跳变为低电平，由于互锁延迟的作用，Ub2、Ub3亦为低电平，VT1、VT2、VT3、VT4均截止，由于电枢电感及负载的储能作用，电流沿VD-M-VD续流，此时UAB=-US。
当t2时，VT2与VT3饱和导通，VT1与VT4承受反压截止，UAB=-US电枢电流VT3-M-VT2流通。
当t3时，Ub2、Ub3跳变为低电平，由于互锁延迟的作用，Ub1、Ub4亦为低电平，VT1、VT2、VT3、VT4均截止，由于电枢电感及负载的储能作用，电流沿VD4-M-VD1续流，此时UAB=+US。
图3-2主电路
电力场效应晶体管VT1、VT4是同时导通同时关断的，VT、VT也是同时导通同时关断的，但VT1与VT2、VT3与VT4都不允许同时导通，否则电源认直通短路,这样会对整个系统造成非常大的伤害。
设VT1、VT4同时导通t1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路。
该间隔时间称为死区时间）之后，再使VT2、VT3同时导通了t2秒后同时关断，间隔一定时间后，VT1、VT4同时导通，整个逆变器如此反复工作。
把死区时间设为t3,因为2t3<主电路还包括泵升电压泄放电路，当电机正常工作时，如果发生故障或人为的要马上停止工作，由于机械惯性具有动能，这样动能会转化为电能回馈给主电路。
但直流电源采用不可控整流电路供电，不能向电网回馈能量，只能对滤波电容器充电而使直流电压升高，即产生泵升电压。
若让电容器全部吸收回馈能量，则需要很大的电容量，或者迫使泵升电压升高而损坏元件。
为了让电机快速制动，主电路采用制动电阻和开关器件MOSFET构成泵升电压限制电路，以消耗回馈能量。
电位调节器为不同转速和不同容量的制动过程提供电路基准电压，当超出这个基准电压时，比较器变输出一个高电压信号，使MOSFET管导通，这样回馈的电能便会泄放出去。
图3-3PWM脉宽调制波形
3.3MOSFET驱动电路设计
电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，驱动功率小。
第二个特点是开关速度快，工作效率高，它的工作效率是所有电力电子器件中最高的，所以电力场效应晶体管在本设计中非常适用。
AT89S52单片机引脚输出的信号可以驱动4个TTL负载，而要单片机输出PWM信号驱动MOSFET管，功率是不够的。
为了解决这个问题本设计采用了光耦合器，并在其后接了一个放大器以满足驱动需要。
光耦合器由发光二极管和光敏晶体组成，封装在一个外壳内。
其类型有普通、高速和高传输比三种，本设计使用的是普通型，它的输出特性和晶体管相似，只是电流传输比的比值，同晶体管的电流放大倍数b比要小得多，一般只有0.1～0.3，其响应时间约为10ms左右[3]。
其工作过程为：
AT89S52的引脚（P3.4，P3.5）生成PWM信号，PWM信号驱动光电耦合器，经施密特反相器将信号送至直流电机的主电路。
电力场效应晶体管，为压控组件，具有很高的输入阻抗，因而驱动功率很小，对驱动电路的信号质量要求也较低。
以VT1、VT4为例，
图3-4MOSFEET驱动电路
经过放大器的电信号进入MOSFET管VT的栅极上，对VT1驱动成功后，主电路电流流入电动机（VT4也同时驱动成功），主电路构成回路（VT1-M-VT4）电动机正传。
3.4A/D转换器
ADC0832ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双信道A/D转换芯片。
ADC0832是具有8位串行I/O模/数转换器，转换速度较高，单电源供电，功耗低（15mW）。
ADC0832是8引脚双列直插式双通道A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模/数转换，采用串行通信方式，通过DI数据输入端进行信道选择、数据采集及数据传送。
其芯片的模拟电压输入在0—5V之间，具有双数据输出可作为数据校验以减小数据误差，转换速度快且稳定性能强。
ADC0832的各引脚功能如下：
CS—片选端，低电平有效；
CH0\CH1—两路模拟信号输入端；
DI—两路模拟输入选择输入端；
DO—模拟信号转换结果串行输出端；
CLK—串行时钟输入端；
VCC/REF—电源端和基准电压输入端；
GND—电源地[12]。
在正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI，DO、DI连在一根数据线上使用。
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平任意。
当进行A/D转换时，必先将CS使能端置于低电平且保持低电平
图3-5ADC0832封装图
直到转换结束。
当CS变为低电平时，在时钟的上升沿，DI端的数据移入ADC0832内部的多路地址移位寄存器。
在第一个时钟期间，DI为高，表示启动位，紧接着输入两位元配置位。
当输入启动位和配置位后，选通信号输入仿真通道，转换开始。
转换开始后，经过一个时钟周期延迟，以使选定的通道稳定。
ADC0832接着在第四个时钟下降沿输出转换数据。
数据输出时先输出最高位（D7—D0）；输出完转换结果后，最低位重新输出一
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