基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统

2020-02-26来源: 51hei关键字:51单片机  直流电机  PWM  调速控制系统

1 引言

1.1 课题背景

1.1.2 开发背景

在现代电子产品中,自动控制系统,电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面,直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等,都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机,大体上可分为四类:几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交流电机


直流电机的特点是启动转矩大,最大转矩大,转速控制容易,调速后效率很高。与交流调速相比,直流电机结构复杂,生产成本高,维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟,使得矢量控制变频技术获得迅猛发展,从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置,并在工业上得到广泛应用。适用范围:直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材 、特种加工、轻工业、 输送设备 车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备 等行业中。高性能的交流传动应用比重逐年上升,在工业部门中,用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。


尽管如此,我认为设计一个直流电机调速系统,不论是从学习还是实践的角度,对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用,有利于提高学习热情。


1.1.3 选题意义

直流电机拥有有良好的起制动性能,可应用于在大范围内的平滑调速,也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。在控制角度来看,直流调速更是交流拖动系统的基础。早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础,有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等,控制系统的硬件部分功能比较复杂,功能比较单一,而且软件系统不灵活、不好调试,不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。伴随着单片机控制技术的快速发展,使得许多控制功能算法以及软件得以完成,为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间,并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提高工作效率。


传统的控制系统采用模拟元件,虽然满足了生产要求,但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响,并且线路很复杂,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行可靠性及准确性得不到保证,甚至出现事故。


目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,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。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。


1.2 研究方法及调速原理

直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式:

n=U/Cc-TR内/CrCc                   (公式 1-1)

其中:

U—电压; —励磁绕组电阻;

—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分两种方法,有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣,对于磁场控制法,其控制功率较小,低速传动时易受到磁极饱和限制,而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适,电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构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,如图1-1所示:

图1-1 直流电机的工作原理图


电枢控制即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。在电机调速中广泛使用,其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开,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。

根据上图,当电动机始终接通电源时,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,从而实现调速。


1.2.1 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调速系统中占空比是一个重要参数,电源电压不变时,电枢端电压的平均值取决于占空比的大小,改变的值可以改变电枢端电压的平均值:

1、定宽调频法:保持不变,只改变t,使周期也随之改变。

2、调宽调频法:保持t不变,只改变,使周期或频率也随之改变。

3、定频调宽法:保持周期T(或频率)不变,同时改变和t。


1,2方法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,将会引起振荡,因而不合适,用定频调宽法来改变占空

比从而改变直流电动机电枢两端电压。


1.2.2 控制程序的设计

软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后,系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序,根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮,调整P1.1输出高低电平的占空比,从而可以控制高低电平的延时时间,进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。


2 系统硬件电路的设计

2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计

本系统采用STC89C51控制输出数据,由单片机IO口产生PWM信号,送到直流电机,直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机,进行转速显示,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。


2.2 STC89C51单片机简介

2.2.1 STC89C51单片机的组成

STC89C51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:

   

2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能

中央处理器CPU:它是单片机的核心,完成运算和控制功能。

内部数据存储器:STC89C51芯片中共有256个RAM单元,能作为存储器使用的只是前128个单元,其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元,简称内部RAM。

内部程序存储器:STC89C51芯片内部共有4K个单元,用于存储程序、原始数据或表格,简称内部ROM。


定时器:STC89C51片内有2个16位的定时器,用来实现定时或者计数功能,并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。


中断控制系统:该芯片共有5个中断源,即外部中断2个,定时/计数中断2个和串行中断1个。


3 PWM信号发生电路设计

3.1 PWM的基本原理

调速采用PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制,工作原理:通过产生矩形波,改变占空比,以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)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,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化,其时间和幅度的分辨率都没有限制。


3.2 系统的硬件电路设计与分析

电动机PWM驱动模块的电路采用H桥驱动,设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM原理的驱动电路。

PWM电路由复合体管组成,两个输入端高低电平控制晶体管是否导通或截止。NPN的三极管高电平输入时导通,PNP的三极管低电平输入时导通,当Q1和Q2都导通时,Q3和Q6截止,Q4和Q5导通,电机两端都是GND,电机是不转的,当Q1和Q2都截止时,Q3和Q6导通,Q4和Q5截止,电机两端都是VCC,电机也是不转的,那么,当Q1导通,Q2截止时,Q4和Q6导通,电机右边是电源,左边是地,电机逆时针转动,此时保持Q2截止,PWM控制Q1的导通截止,就可以控制电机的速度,同理,当Q1截止,Q2导通时,Q3和Q5导通,电机的左边是电源,右边是地,电机顺时针转动,此时保持Q1截止,PWM控制Q2的导通截止就可以控制电机的转速。4个二极管在电路中的作用是防止晶体管产生不当反向电压,以及电机两端电流和晶体管上的电流过大保护。


3.3  H桥的驱动电路设计方案

H桥式电动机驱动电路包括4个三极管和一个电机,因为它的形状与字母H相似,故因此而得名。如下图 所示,要使电动机成功运转,须对对角线上的一对三极管通电。据不同的三极管对的导通通电的情况,电流会从右至左或相反方向流过电机,从而改变电机的转动方向。

因此要想使电动机运转,必须使对角线上两个三极管通电。例如,当Q2管与Q3管导通时,电流 从电源正极经Q2从左到右通过电机,再经 Q3到电源的负极。同样Q1与Q4亦是如此,由电流箭头可看,

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