电机与拖动课程设计.指导教师 杨秀丽学院名称工程学院 专业班级自动化论文提交日期2016年6月24日 论文答辩日期2016年6月28日I摘 要根据电机与拖动设计要求，直流电机PWM脉宽调速系统以STC89C52单片机为控制核心，由命令输入模块及电机驱动模块组成。采用独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转电路控制；同时按下按键调制出不同的PWM波可以驱动电机在不同的转速下运行。通过这2部分的组合，便构成了以PWM脉宽进行调速的直流电机控制系统。报告会说明PWM电路对电机的调速控制原理、L298芯片的驱动原理及电路设计软件部分相对应的情况。通过所观察到的实验现象分析可知，以STC89C52和L298组成的的直流电机控制系统电路不仅接线简单，操作方便，而且性能相对比较稳定，能较好地驱动直流电机正常运转。关键字：STC89C52 L298 PWM波形 直流电机目 录1 前言11.1 PWM波调速研究背景12 系统设计方案12.1 PWM波调速研究思路 12.2 晶闸管调速研究思路12.3 方案确定23 系统硬件电路23.1 系统硬件电路图23.1.1 系统总体电路图23.1.2 实际电路图23.2 电源电路.23.3 驱动电路.43.4 按键控制电路54 系统软件设计.65 系统四象限运行原理.76 系统仿真.87 课程设计总结.9参考文献10附录11附录1 元器件选择及清单12附录2 程序代码13致谢18 II1 前言1.1 PWM波调速研究背景微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 2 系统设计方案2.1 PWM波调速研究思路直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，能够方便地实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由STC89C52单片机的I/O端口、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够实现电机的智能控制。其间是通过STC89C52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转。设计控制部分：主要由STC89C52单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM控制实现部分主要由电机和L298直流电机驱动模块组成。2.2 晶闸管调速研究思路晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。2.3 方案确定鉴于方案一调速特性优良、调整平滑、调速范围广、而且电路结构简单，成本较低，因此本设计采用方案一。3 系统硬件电路3.1 系统硬件电路图3.1.1 系统总体电路图本课程设计采用51单片机为控制核心，产生电信号控制L298M,进而控制电机，驱动电机运行，采用按键输入，方案如图1所示。正转按键反转按键加速按键减速按键51单片机（输入设定及系统控制）单片机（PWM发生器电机调速电机驱动电路图1 电机调速系统框图3.1.2 系统实际电路图本系统硬件电路部分组成如图2所示。图2 系统实际电路图3.2 电源电路（1）芯片介绍电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。（2）电路原理图本系统需要12V、5V两种电源，因此电源电路采用7805用12V电源产生5V电压，电路如图3所示：图3 电源电路3.3驱动电路（1）L298内部H桥原理L298内部H桥电路,电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。如图4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图4 H桥驱动电路图4 H桥驱动电路另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向,上图反方向）。(2)L298的逻辑功能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，电路如图5所示。图5 L298驱动电路3.4按键控制电路用STC89C52单片机的P1口作按键扫描电路，首先P1口置高，当键按下时，可检测到P1口被置低，从而单片机执行对应的函数。如图：P2.0P2.3,分别控制电机实现正转、反转、加速、减速的功能，电路如图6所示。图6 按键控制电路4 系统软件设计本程序通过控制51单片机的定时器0进行键盘扫描，根据按键输入信息选择进行操作的函数，进行控制电机。先设定好占空比初始值，给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速,流程图如图7所示。开始按键检测正转按键是否按下电机正转Y反转按键是否按下N电机反转NY是否最低速加速按键是否按下速度减1YNYN是否最高速减速按键是否按下Y速度加1NNY根据设定的速度来控制时间，从而达到控制输出脉冲的占空比来控制速度图7 系统流程图5 系统的四象限运行原理直流电机的机械特性方程式的一般形式： 其中U-额定电压;Ra-电枢电动势；Rc-电枢回路串入的电阻值。当按规定正方向用曲线表示机械特性时，电动机的固有机械特性即认为机械特性位于直角坐标的四个象限之中。在一、三象限内为电动运行状态；二、四象限内为制动状态。四象限调速表示电机电机可实现四象限内运行。本系统是通过双极式PWM变换器实现的。双极式PWM变换器调节占空比50%;50%分别实现电机的正转、反转。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。图8 PWM原理设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va= Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。在本设计中，使用单片机的P3.6、P3.7口作为PWM波发生器，当P3.6为1，P3.7为0，电机制动并正转；当P3.6为0，P3.7为1时，电机制动并反转；PWM波的频率为1Khz,用单片机的定时器0计数，通过改变占空比实现电机的调速。图9 PWM发生电路6 系统仿真仿真软件选择Proteus ，在Proteus中画出系统电路图，当程序在Keil C中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是系统能够在Proeus中成功进行仿真的文件。将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节电机的正反转是通过单片机程序控制PWM波的占空比而改变其正反转的，当正转占空比大于反转占空比时候电机正转，反之，电机则反转。电机正转的仿真如图10所示，反转的仿真如图11所示。若需要加快电机的转速，相对应地减小PWM波的占空比，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机的转速时，则应该加大PWM波的占空比。电机加速转动的仿真图如图12所示，减速的仿真图如图13所示。图10 电机正转波形图图11 电机反转波形图图12 电机加速波形图 图13 电机减速波形图7 课程设计总结这次课程设计在电机与拖动课程完成后进行设计，通过一个学期的学习，我们通过书本了解到了电机拖动的基本知识，通过这次设计，可以更好地把书本上的知识应用到现实生活中，有利于我们更好地掌握知识，提升设计，寻找问