PWM调速系统设计.docx

1、PWM调速系统设计课 程 设 计PWM波直流电机速度调节系统学 院：机电学院专 业：电气工程与自动化班 级：姓 名： 学 号：指导老师：日期： 目 录一 引言 11.1开发背景 21.2数字控制器D(z) 5二 直流电动机调速概述 42.1直流电机调速原理 42.2直流调速系统实现方式 52.3 8051单片机简介三 硬件电路设计 63.1 PWM波形的程序实现 73.2直流电动机驱动 73.3续流电路设计 8四 软件设计 94.1主程序设计 94.2 数码显数设计 104.3 功能程序设计 104.4仿真图 134.5 仿真结果分析 14五 心得体会 14一 引言1.1开发背景现代工业生产中

2、，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZD拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的FD系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代

3、以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。1.2数字控制器D(z)假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D(z),二 直流电动机调速概述2.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转

4、速有以下公式： n=U/Cc-TR内/CrCc 其中：U电压；励磁绕组本身的电阻；每极磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，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。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的

5、接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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”。 图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。2.2直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的

6、平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。2.3 8051单片机简介18051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 8051基本结构图28051单片机引脚图8051单片机引脚图三 硬件电路设计本系统采用80C51控制输出数

7、据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。3.1 PWM波形的程序实现 随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定 时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50 Hz ，占空比为1：1，则和 R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示 ： 图 2-1 程序流程图 3.2直流电动机驱动在直流电动机

8、的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机 L298内部结构和功能引脚图L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用 L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机 、步进电动机等电感性负载。其内部有两个完全相同的功率放大回路。L298 引脚符号及功能SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA 、ENB：使能端，输入PWM信号 IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：

9、输出端，与对应输入端同逻辑VCC：逻辑控制电源，4.57V GND:地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;IN1与IN2相 同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。3.3续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能

10、力。 由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。为保护芯片加上洗续流电路。电路的工作原理替如图3.7所示。电路的工作原理：当电机正转时 ，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。续流电路工作原理图四 软件设计4.1主程序设计 该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.ORG 0000H AJMP START ORG 0003H LJMP INT0； T0中断 ORG 000BH LJMP ITT0； T1中断 ORG 0030H ；系统初始化START: MOV SP,#

11、60H ；赋初值 堆栈指针 MOV R0,#00H ；给R0送值0 MOV R1,#00H ；给R1送值0CLR P1.5 ；置0 CLR P1.6 ；置0 CLR P1.7 ；置0 MOV TMOD,#01H ；写控制字 控制方式 MOV TL0,#0FFH ；置定时常数 MOV TH0,#0FFH SETB EA ；允许中断 SETB EX0 ；允许外部中断0 SETB ET0 ；允许TL0中断 CLR IT0 SETB TR0 ；启动TL0 图3-1主流程图4.2 数码显数设计 通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示程序代码：MOV DPTR,#TAB M

12、OV 40H,#0 ；置0 MOV 41H,#0 ；置0LED: SETB P1.1 ；P1.1置1 CLR P1.2 ；P1.2清0 MOV A,40H ；将40H的内容送往A MOVC A,A+DPTR ；查表 MOV P0,A ；查表所得A值送往P0口 LCALL TTS ；调用延时 CLR P1.1 ；P1.1清0 SETB P1.2 ； P1.2置1 MOV A,41H ；将41H的内容送往A MOVC A,A+DPTR ；查表 MOV P0,A ；查表所得A值送往P0口 LCALL TTS ；调用延时 CLR P1.2 ；P1.2口清0 LJMP LED ；跳转到LED ORG 2

13、000HTAB: DB 40H,79H,24H,30H,19H DB 12H,02H,78H,00H,10H4.3 功能程序设计 结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停程序代码：ITT0: CPL P1.5 ；P1.5口取反 JNB P1.5,Z1MOV A,#0FFH ；低电平定时 SUBB A,R0 MOV TH0,A SETB TR0 ；启动TL0 RETIZ1:MOV TH0,R0 ；高电平定时 SETB TR0 RETIINT0:CLR EX0 ；实现键盘控制 MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV A,P2JNB ACC.0,JIA JNB ACC

14、.1,JIAN JNB ACC.2,FF图3-2 数码显示流程图 图3-3中断子程序流程图 JNB ACC.3,ZZ JNB ACC.4,TZ AJMP CCJIA: CJNE R0,#0FFH,AA ；实现电机加速 AJMP CCAA: MOV A,R0 ADD A,#25 MOV R0,A AJMP CCJIAN: CJNE R0,#00,BB ；实现电机减速 AJMP CCBB: MOV A,R0 SUBB A,#25 MOV R0,A AJMP CCCC: MOV A,R0 ；数码显数 MOV B,#25 DIV AB MOV B,#10 DIV AB MOV 40H,A MOV 41

15、H,B SETB EX0 LCALL TTS ；调用延时 LCALL TTS ；调用延时 LCALL TTS ；调用延时 LCALL TTS ；调用延时 RETIFF: SETB P1.6 ；电机反传 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETIZZ:CLR P1.6 ；电机正转 SETB P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITZ: CLR P1.6 ；实现电机停止 CLR P1.7 LCALL TTS LCALL TTS LCALL TTS SETB EX0 RETITTS

16、: MOV R3,#0E0H ；延时子程序TT1S: MOV R4,#40HTT0S: DJNZ R4,TT0S DJNZ R3,TT1S RET END4.4仿真图 在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。仿真结果如图3-4所示:图3-4仿真图相应电机的显示如图3-5所示 图3-5仿真结果4.5 仿真结果分析当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或是减速按钮。显示模块便开始显示数字，然后点击正传或是反转。电机的驱动模块能够实现电机的正转、反转、加速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得到预期的仿真效

17、果。 五 心得体会通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生了更大的兴趣。在本次课程设计过程中，我学会了在网络上查找有关本设计的各硬件的资源，其中包括：直流电机PWM调速、80C51单片机、L289引脚图及其引脚功能等，为本次课程设计提供了一定的资料。在做课程设计的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助于张老师、理清了思路。同时，在图书馆里、网上查阅资料，攻克了课程设计中的道道难题。最后经过指导老师张老师的耐心指点和连续的奋战才算基本合格。办事只要有了头绪，就会简单很多。本次设计我能独立完成，算是有了很大的收获。总的感受有以下几方面：1、通过本次设计，我不但对单片机有了更为深入的了解，对一个课题如何画流程图，编程序等有了一定的认识。2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的能力，从中学习到如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法去实现设计方案。特别是深刻体会到了软件和硬件结合的重要性，以及两者的联系和配合作用。3、让我了解到单片机技术对当今人们生活的重要性。同时这次做课程设计的经历也使我受益匪浅，让我知道做任何事情都应脚踏实地，刻苦努力地去做，只有这样，才能做好。