单闭环直流电机调速系统课程设计.docx

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单闭环直流电机调速系统课程设计

《计算机控制技术》课程设计

（单闭环直流电机调速系统）

摘要

运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。

在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。

由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，并有望在不太长的时间内取代直流调速系统，但是就目前来讲，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要方式。

在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

随着电子技术和计算机技术的高速发展，直流电动机调速逐步从模拟化走向数字化，特别是单片机技术的应用，使直流电动机调速技术进入一个新的发展阶段。

因此，本次课程设计就是针对直流电动机的起动和调速性能好，过载能力强等特点设计由单片机控制单闭环直流电动机的调速系统。

本设计利用AT89C52单片机设计了单片机最小系统构成直流电动机反馈控制的上位机。

该上位机具有对外部脉冲信号技术和定时功能，能够将脉冲计数用软件转换成转速，同时单片机最小系统中设计了键盘接口和液晶显示接口。

利用AT89C52单片机实现直流电机控制电路，即直流电动机反馈控制系统的下位机，该下位机具有直流电机的反馈控制功能，上位机和下位机之间采用并行总线的方式连接，使控制变得十分方便。

本系统能够用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节并且有速度显示电路。

本系统操作简单、造价低、安全可靠性高、控制灵活方便，具有较高的实用性和再开发性。

关键词：

直流电动机AT89C52L298N模数转换

1课题来源

1.1设计目的

计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，为了使学生进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高学生运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养学生独立自主、综合分析与创新性应用的能力，特设立《计算机控制技术》课程设计教学环节。

设计任务

1.掌握应用微处理器进行小型计算机控制系统的设计方法；

2.熟悉计算机控制软件的设计、编写与调试流程，提高计算机控制系统软件的编写能力；

3.熟悉计算机控制系统接口电路设计，系统集成技术；

4.掌握计算机控制系统外围电路的设计及元器件的选用；

5.掌握计算机控制系统的调试及参数设置、系统性能测试；

6.了解计算机人机界面程序的编写，计算机串口通信程序编写。

控制要求

实现一个单闭环直流电机调压调速控制，用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节要求既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节，需要有速度显示电路。

扩展要求能够利用串口通信方式在PC上设置和显示速度曲线并且进行数据保存和查看。

需要自己购买直流电机和制作调压电路，提供增量式速度编码器作为速度传感器。

）

1.4总体流程

（1）根据系统控制要求设计控制整体方案；包括微处理芯片选用，系统构成框图，确定参数测范围等；

（2）选用参数检测元件及变送器；系统硬件电路设计，包括输入接口电路、逻辑电路、操作键盘、输出电路、显示电路；

（3）建立数学模型，确定控制算法；

（4）设计功率驱动电路；

（5）制作电路板，搭建系统，调试。

2设计原理

系统硬件的具体设计与实现

（1）直流电机的结构及调速原理

直流电机的结构是多种多样的，但任何直流电机都包括定子部分和转子部分，这两部分间存在着一定大小的气隙，使电机中电路和磁场发生相对运动。

直流电机定子部分主要由主磁极、电刷装置和换向极等组成，转子部分主要由电枢绕组、换向器和转轴等构成。

结构图如图1：

图1直流电机结构图

1-电刷；2-磁轭；3-永久磁钢；4-极靴；5-电枢绕组；6-内磁轭

如图2所示电枢电压为Ua，电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra，电机常数为Ce，励磁磁通量为

。

那么根据KVL方程：

电机转速

，其中极对数为p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：

电机常数Ce＝pN/60a，意味着电机确定后，该值是不变的。

而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常少，所以Ua-IaRa=Ua，由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。

将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率称为脉冲宽度调制。

图2直流电机原理图

（2）单片机的选择

本次设计采用AT89C52单片机，它是51系列单片机的一个型号，由ATMEL公司生产的。

如图3所示

图3AT89C52引脚图

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

　　主要功能特性：

　　·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

　　·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM

　　·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz

　　·2个串行中断·可编程UART串行通道

　　·2个外部中断源·共6个中断源

　　·2个读写中断口线·3级加密位

·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能

（3）直流电机驱动芯片L298N

根据要求，本设计的核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的PWM调速控制。

要实现以上的功能，应用比较广泛的是由四个开关管构成的H型桥式驱动电路。

这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

我们可以根据需要对四个开关管进行控制，使其能实现可逆调速的功能。

使全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，V1、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。

当V1、V4导通时，V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当V2、V3导通时，V1、V4关断电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

这种方法称为双极性PWM控制方式，如图4所示。

应用时要注意避免上下臂桥之间同时导通，因为上下臂桥之间同时导通会引起短路。

应用H型桥式驱动电路可以很好的实现设计任务所要求的功能。

但是为了简化电路，我们决定使用集成有桥式电路的电机专用芯片L298N。

图4LH桥型PWM降压斩波器原理图

L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机

的停转。

表1是L298N功能逻辑图。

In3，In4的逻辑图与表1相同。

由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。

同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。

L298N引脚如图5和图6所示

图5L298N引脚图

图6L298引脚功能

（4）键盘输入模块

由于本系统设定实现的功能有启/停、加减速、正反转及调速功能，需要设置16个开关按钮作为键盘控制信号输入。

因此选择矩阵式非编码键盘。

键盘电路如下图所示，这是4×4行列矩阵式非编码键盘，先采用全扫描，再进行行扫描来达到键盘键号识别。

首先判别键盘中有无键按下，由单片机I/O口向行线输出0，把全部行线置为低电平，然后将列线的电平读出。

如果有键按下，就会有一根列线电平被拉至低电平，从而使列输入不全为1。

然后逐行扫描，即分别将每一行置0其余行置1，再读取列电平，判别该行是否有键按下，若有则相应列被拉到低电平，则该行和此列相交的位置上有键按下。

若没有任一条列线为低电平，则说明该行上无键按下。

如此循环扫描就能实现键盘的功能。

图7键盘电路

（5）模数转换模块

模数转换模块采用ADC0832芯片，ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

引脚图如图7所示：

图8ADC0832引脚图

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

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。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联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的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

（6）电源

本系统单片机需用5V电源进行供电，L298N驱动芯片需用12V电源进行供电。

从安全性和可靠性的角度出发，本次设计采用了市面上较为常见的电源。

2.2系统各部分电路的实现

（1）晶振电路

51单片机的时钟电路通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

内部振荡方式所得的时钟情况比较稳定，实用电路中使用比较多，故本次设计采用内部振荡方式。

在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器就构成了内部振荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

其电路图如下：

图9晶振电路原理图

图中，电容器C10和C11起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30PF。

晶振的典型值为12MHZ。

单片机以晶体振荡器的振荡周期为最小时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。

振荡频率二分频后形成状态周期或称S周期，所以，一个状态周期包含有2个振荡周期。

振荡频率fosc12分频后形成机器周期MC。

一个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。

1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。

51单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。

4中时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值（如波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。

在实际的电路设计中应注意，晶振的两条引出线不能相距过近，否则振荡幅度大大减少导致发光管不亮。

另外，晶振电路一定要和单片机靠近，线路尽量短，否则将导致晶振工作不稳定。

（2）复位电路

MCS-51系列单片机的复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

本次设计采用的是上电或开关复位。

当电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

其电路图如图10所示。

上电后。

由于电容C的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键后松开也能使RST维持一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

图10复位电路

（3）模数转换电路

该电路模块利用电位器调节，将产生的模拟量通过模数转换器转换成数字量，再将数字量输入到单片机的P2口对单片机进行控制，进而实现对直流电机转速的控制。

电路模块图如下：

图11模数转换电路

（4）电机驱动电路

电机驱动部分由L298N芯片及其外围电路构成，如图12所示。

由图12我们可以看出，L298N及其外围电路比较简单。

当口输入1时，5、7口为10，电机正转，当口输入0时，5、7口为01，电机反转。

Vss＝12V，Vs＝5V。

L298N的6端为芯片的选通端，通过从输入一个方波信号，控制电机的转动，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，因此电机的速度与方波的占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，我们通过键盘输入可以改变延时程序的值从而改变方波占空比，达到调速目的。

另外，为使L298N驱动芯片正常工作，还要在其与直流电机之间加入四对续流二极管用以将电机中反向电动势产生的电流分流到地或电源正极，以免反向电动势对L298N产生损害。

图12电机驱动电路

（5）速度显示模块

本模块通过三极管型光耦器件感应直流电机的转速来输出脉冲，用软件来计算出电机的转速并显示出来。

i．三极管型光耦器件管测速

光耦三极管是通过电、光、电这种信号转换，利用光信号的传送来输出脉冲。

三极管型光耦器件是由发光二极管和光敏三极管组成，发光二极管为其输入端，光敏三极管为其输出端，它们之间的信号传递是靠发光二极管在信号电压的控制下发光，传送给光敏三极管来完成的。

我们在电机附带转动的盖子里放入发光二极管，在盖子里面开一个小洞，使电机每转一圈光敏三极管就感应出一个脉冲。

ii．LED显示的硬件电路

本系统使用四位共阴数码管显示直流电动机的转速。

通过P0口输出段选码，P2口输出位选码。

单片机的~作为段选码的输出口，分别与上图P0~P7的引脚相接。

单片机的、、和分别作为四位LED的由低位到高位的选通脚。

在设计中，我们尝试将单片机的、、和引脚直接接到四位LED的选通端，结果是LED几乎不能显示，所以我们采用了通过控制三极管来选通LED的方法。

我们采用的是PNP，当三极管选通时，通过电阻后，在位选通处会输出低电平，从而选通LED。

下面给出LED与单片机的接口电路，如图13所示。

图13显示电路

（6）系统总设计图见附录1。

3系统软件设计

设计流程图

图14系统流程图

系统总程序

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