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一、摘要二、直流电机1、直流电机的原理2、直流电机的主要技术参数3、直流电机调速技术指标三、单片机的相关知识 1、单片机的简介2、单片机的特点3、AT89C51单片机的介绍四、 硬件电路的设计1、 控制电路的设计2 、隔离电路的设计3、驱动电路的设计4、续流电路的设计5、 整个电路原理图五、软件设计1 、主程序设计2 、数码显数设计3、功能程序设计六、总结七、参考文献一、摘 要本课题是对直流电机PWM调速器设计的研究,主要实现对电动机的控制。因此在设计中,对直流调速的原理,直流调速控制方式以及调速特性,PWM基本原理及实现方式进行了全面的阐述。为实现系统的微机控制,在设计中,采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种显示,驱动模块,实现对电动机的转速的显示和测量;由命令输入模块,光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入,单片机在程序的控制下,不断给光电隔离电路发送PWM波形,H型驱动电路完成电机的正反转控制。在设计中,采用PWM调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压,进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统,在硬件结构上采用了大量的集成电路模块,大大的简化了硬件电路,提高了系统的稳定性和可靠性,使整个系统的性能得到提高。二、直流电机1、 直流电机的工作原理直流电机模型如图1.2所示,磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候,线圈受到电磁力的作用,产生旋转。根据左手定则可知,当流过线圈中电流改变方向时,线圈的受力方向也将改变,因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。2、直流电机的主要的技术参数额定功率Pn:在额定电流和电压下,电机的负载能力。额定电压Ue:长期运行的最高电压。额定电流Ie:长期运行的最大电流。额定转速n:单位时间里面电机转速的快慢。励磁电流If:施加到电极线圈上的电流。3、直流电机的调速的技术指标1.3.1 调速范围 调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围,最低可控转速对最高可控转速的比值,叫电机的调速比。1.3.2 调速的相对稳定性和静差度 所谓相对稳定性,是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化,它决定于机械特性的斜率。静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时,由理想空载到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。用百分数表示,即 ,在一般的情况下,取额定转矩下的速度落差,有1.3.3 调速的平滑性调速的平滑性是在一定的调速范围内,相邻两极速度变化的程度,用平滑系数表示,即式中和相邻两极,即i级与i-1级的速度1.3.4 调速时的容许输出 调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下,在调速的过程中轴能够输出的功率和转矩。三、单片机的相关知识1、单片机的简介单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2、 单片机的特点(1)高集成度,体积小,高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。 (2)控制功能强 为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能。 (3)低电压,低功耗,便于生产便携式产品 为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V,而工作电流仅为数百微安。 (4)易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚,很容易构成各种规模的计算机应用系统。 (5)优异的性能价格比 单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB。由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高。3、 AT89C51 单片机的简介主要特性:与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器 寿命:1000写/擦循环数据保留时间:10年全静态工作:0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。3振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。四、硬件电路的设计对题目进行深入的分析和思考,可以将整个模块分为以下几个部分:控制部分,隔离电路,驱动电路和负载的续流电路。系统的框图如图3.1所示。1、控制电路的设计控制电路主要由单片机来控制,编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机增加了很多的功能,其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置,使其能自动的发出PWM脉冲波,只有在改变占空比的时候CPU才干预。2、隔离电路的设计隔离电路主要作用是防止驱动电路中的电流过大,与单片机直接相连是可能会烧毁单片机而加的保护性电路。其电路图如下图3.2所示。其中1,2,3,4脚分别接单片机的P1.1 ,P1.2,P1.3,P1.4口。电阻起限流左右。电阻R1,R3,R5,R7阻值为470,电阻R2,R4,R6,R8的电阻都为1K。其工作原理如下:当电机中的电压正常时,发光二极管导通,发光使光敏三极管导通,电路接通正常工作;当电路中电压很高时,发光二极管被击穿,电路不导通,从而起到保护单片机的作用。3、驱动电路的设计开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上,与线性方式不同,在这种驱动方式下,驱动器的功率管工作在开关状态,当器件导通时,器件的电流很大但是压降很小;器件关断时,压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少,发热量少,效率较高。通过控制开关的频率和脉宽,可以对电机的转向进行控制。我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式,是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时,其效果基本相同,这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口,使用简单,最常见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号,我们使用的是L298的芯片驱动电路是H桥电路,图3.4为H桥驱动电路的工作原理图。同一侧的晶体管不能同时导通。当SW1和SW4导通,当SW2和S3截止时,电路由正电流经SW1,从电机的正极流入电机,电机反向运转。当SW1和SW3或者SW2和SW4同时导通的时候,电机处于制动状态,电路中二极管注意是起续流保护作用。由于电机具有较大的感性,电流不能突变,若忽然将电流切断将在功率管两端产生巨大的电压,损坏器件。我们采用的是模块是H桥芯片L298,图3.5所示是L298的内部原理图L298需要2个电压,一个为逻辑电路工作时所需要的5V电压VCC,另一个为功率电路所需的驱
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