1、单片机课程设计题目:直流电机调速系统的设计学院：电气与电子工程专业：自动化班级：100304组长：徐鹏 20230883组员：徐洋 20230885 许佩东 20230886 于思雨 20230888 韩振帅指导教师：白文峰 2023年6月7日第一章:1.1 ：直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直
2、流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，防止上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低本钱和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。随着我国经济和文化事业
3、的开展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。直流电机工作原理直流电机电路模型如图3.1所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的外表上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定那么可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图3.1 直流电动机电路模型直流电机PWM调速原理
4、1直流电机转速直流电机的数学模型可用图3.2表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图3.2 直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：U=Ea-IaRa+Rc式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量。由1.1式和1.2式得n =Ea
5、/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。2PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压脉动电流压要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数，可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化。图3.3为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图3.3 占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系图中实线，原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电
6、机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。1.2本设计任务:任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统设计的主要内容以及技术参数:功能主要包括：1) 直流电机的正转；2) 直流电机的反转；3) 直流电机的加速；4) 直流电机的减速；5) 直流电机的转速在数码管上显示；6) 直流电机的启动；7) 直流电机的停止；第二章：总体设计方案总体设计方案的硬件局部详细框图如图一所示。数码管显示按键控制单片机PWM电机驱动键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口
7、输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三 ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000。 1、系统的硬件电路设计与分析电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见以下列图。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四局部晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的上下电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电
8、压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。 在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此假设复合管基极由控制系统直接控制，那么控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了TLP521-2光耦集成块，将控制局部与电动机的驱动局部隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动局部通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，
9、但带带负载能力差脉冲频率低那么反之。经实验发现，当电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过P10输入高电平信号，P11输入低电平，电机正转；通过P10输入低电平信号，P11输入高电平，电机反转；P10、P11同时为高电平或低电平时，电机不转。通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。2、系统的软件设计 本系统编程局部工作采用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局部功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和数码管显示
10、等局部的设计。单片机资源分配如下表：P0显示模块接口键盘中断P1键盘模块接口P1.0/P1.1PWM电机驱动接口系统时钟PWM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：/xxxxxxxxxxxxxxxxx延时函数xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx/delays()uchar i;for(i=5000;i0;i-);键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。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/减少一定的占空比。显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓
11、存区有8位，分别存放各个数码管要显示的值。定时中断处理程序：采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值B1E0H可定时20ms，即系统时钟精度可达0.02s。当20ms定时时间到，定时器溢出那么响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值，并对全局变量time加1，这样，通过变量time可计算出系统的运行时间。3、软件设计中的特点:对于电机的启停，在PWM控制上使用渐变的脉宽调整，即开启后由停止匀加速到默认速度，停止那么由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机。键盘处理上采用中断方式，不必使程序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。第三章：系统硬
12、件电路设计整体框图如下：第四章：系统功能调试仿真整体图如下： 直流电机的调试功能仿真如以下列图：1、正转时，电机正转，数码管最高位显示“三,其它三位先所给定频率，如以下列图：2、反转时，电机反转，数码管最高位显示“F,其它三位先所给定频率，第五章：程序见附件1见附件2第六章：元件清单见附件3第七章：心得体会略附件1/xxxxxxxxxxxxxxx基于单片机AT89C51的直流电机PWM调速控制系统xxxxxxxxxxxxx/#include #include #include /xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx / /xxxxxxxx自定义变量xxxxxxxx/#defin
13、e uint unsigned int /自定义变量#define uchar unsigned char char gw,sw,bw,qw;uchar j; /定时次数，每次20msuchar f=5; /计数的次数sbit P10=P10; /PWM输出波形1sbit P11=P11; /PWM输出波形2sbit P12=P12; /正反转sbit P13=P13; /加速sbit P14=P14; /减速sbit P15=P15; /停止sbit P16=P16; /启动uchar k;uchar t; /脉冲加减/xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx/x/xxxxxxx
14、xx控制位定义xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx/uchar code smg12=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x73,0x71;/程序存储区定义字型码表char data led4=0x08,0x04,0x02,0x01; /位码uint x; /数码管显示的数值display(); /数码管显示 delays(); /延时函数key();displays();/xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx/xxxxxxxxxxxxxxx主函数xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx/main (void)