計控課設(shè)實驗報告

1、基于PWM控制的直流電機轉(zhuǎn)速控制一、摘要: 直流電機的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能(直流電動機)或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機)的旋轉(zhuǎn)電機。 近年來，隨著科技的進步，直流電機得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，需要滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對直流電機提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過PWM方式控制直流電機調(diào)速的方法就應(yīng)運而生。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時間飄移，會產(chǎn)生一些不

2、必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點，實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時，開關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強，可獲很寬的頻帶；開關(guān)元件只需工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟好等特點。隨著我國經(jīng)濟和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)來進行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動門、自動門鎖、自動窗簾、自動給水系統(tǒng)、柔巾機、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛

3、機、坦克、火箭、雷達、戰(zhàn)車等場合。本文主要研究了利用MCS-51系列單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速進行控制的方法。本文中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。在軟件方面，文章中詳細介紹了運算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。 關(guān)鍵詞：PWM信號，占空比，直流電動機、LM298  II  ABSTRACT This article mainly introduces 

4、the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the

5、 way to adjust the duty cycle of PWM signal. Whats more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measur

6、ement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI ca

7、lculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it. Key words:  PWM signal 、tachogenerator、 DC Motor

8、60;三、算法概述本控制器主要通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓， 實現(xiàn)調(diào)速。 調(diào)脈寬的方式有三 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本系統(tǒng)采用了定頻調(diào)脈寬方式的 PWM 控制，因為采用 這種方式， 電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定； 并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。對直流電機轉(zhuǎn)速的控制即可采用開環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。 與開環(huán)控制相比,速度控 制閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比,其性 

9、;能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時,閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率 （額定負載時電機轉(zhuǎn)速降落與理想空載 轉(zhuǎn)速之比）要小得多;當要求的靜差率相同時, 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。四、整個系統(tǒng)控制原理1、設(shè)計的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù): 1) 直流電機的正轉(zhuǎn)； 2) 直流電機的反轉(zhuǎn)； 3) 直流電機的加速； 4) 直流電機的減速；直流電機的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場控制法。比較兩種方法優(yōu)劣，對于磁場控制法，其控制功率較小，低速傳動時易受到磁極飽和限制，而高速傳動時又受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)

10、限制。所以磁場控制法并不合適，電樞控制法在電機調(diào)速中是比較常用的方法。直流電動機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)是多種多樣的,但任何直流電機都包括定子部分和轉(zhuǎn)子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機中電路和磁場發(fā)生相對運 動.直流電機定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉(zhuǎn)子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，電樞控制即在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。在電機調(diào)速中廣泛使用，其中脈寬調(diào)制應(yīng)用廣泛。脈寬調(diào)速的概念是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直

11、流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)上圖，當電動機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為maxV，占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為：VD=Vmax*D，可見只要改變占空比D，就可以得 到不同的電機速度，從而實現(xiàn)調(diào)速。2、對于PWM調(diào)速的直流電機驅(qū)動電路，主要考慮以下性能指標：   （1）輸出電流和電壓范圍。它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機；   （2）效率。高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通 （

12、3）對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路。  （4）對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染，大電流可能導(dǎo)致地線電位浮動；   （5）可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到：無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。五、算法分析本設(shè)計是實現(xiàn)直流電機的PWM控制，控制程序用C語言編寫,在仿真軟件Proteus上實現(xiàn)了PWM控制電路, 并設(shè)計了基于PWM方式的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的控制電路。 本設(shè)計主要使用的元器件有：AT89C51單片機、直流電機驅(qū)

13、動芯片L298。控制程序設(shè)計有分軟件延時法和計數(shù)法。用軟件延時法的思路是：先計算占空比（t(1)/T），再由周期給電動機通電M個單位時間t(0)，所以M= t(0)/ t(1)。再斷電S個單位時間，所以S= t(2)/ t(0)。改變了M和S的值，也就改變了占空比的值。而計數(shù)法的原理是：先計算單位延時個數(shù)M，作為定值存放于任意一個存儲單元中。等通電時，對通電單位的時間的次數(shù)進行計算，且與存儲器內(nèi)容相比較。若計數(shù)值和給定的值相等時，則使電動機斷電，若不相等，則要輸出控制脈沖。 軟件采用定時中斷進行設(shè)計。當單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。當按動按鈕

14、后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)P1.1的高低電平?jīng)Q定直流電機正反轉(zhuǎn)。根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時時間，進而控制電壓的大小來決定直流電機的轉(zhuǎn)速。六、控制程序#include"reg52.h" /單片機頭文件sbit P1_0=P10; /脈沖輸出引腳sbit P1_1=P11; /按鈕1引腳sbit P1_2=P12; /按鈕2引腳unsigned char PWMH； /高電平脈沖個數(shù)unsigned char PWM; /PWM周期unsigned char COUNTER; /計數(shù)變量void K1CHECK(); /按鈕1處理

15、程序void K2CHECK(); /按鈕2處理程序void INTTO()interrupt1 /定時中斷0處理程序 COUNTER + +; /計數(shù)值加1 if(COUNTER!=PWMH)&&(COUNTER=PWM) /如果計數(shù)值不等于設(shè)定的高 /電平脈沖數(shù)，但計數(shù)值已到 /達周期數(shù) COUNTER=1; /計數(shù)器復(fù)位 p1_0=1; /P1.0為高電平 else if(COUNTER=PWMH) /如果計數(shù)值等于設(shè)定的高電平脈沖數(shù) P1_0=0; /P1.0變?yōu)榈碗娖絤ain() PWMH=0x02; /設(shè)置高電平脈沖數(shù) COUNTER=0x01; /計數(shù)初值 PWM

16、=0x15; /設(shè)置計數(shù)周期數(shù) TMOD=0X02; /定時器0在模式2下工作 TL0=0X38; /定時器每200us產(chǎn)生一次溢出 TH0=0X38; /自動重裝的值 ET0=1; /使能定時器0中斷 EA=1; /使能總中斷 TR0=1; /開始計時 while(1) if(P1_1 = =0) K1CHECK(); /掃描KEY1，如果按下KEY1，跳轉(zhuǎn)到KEY1處理程序 if(P1_2 = =0) K2CHECK(); /掃描KEY2，如果按下KEY2,跳轉(zhuǎn)到KEY2處理程序 void K1CHECK() /按鈕1處理子程序 while(P1_1 = =0); /等待按鈕1放開 if(

17、PWMH! =PWM) /設(shè)定高電平數(shù)不等于周期數(shù) PWMH + + ; /設(shè)定高電平數(shù)加一 if(PWMH = =PWM) /如果設(shè)定高電平數(shù)等于周期數(shù) TR0 =0; /停止中斷處理 P1_0=1; /輸出保持為高電平 else TR0=1; /開啟中斷處理 void K2CHECK() /按鈕2處理子程序 while(P1_2 = =0); /等待按鈕2放開 if(PWMH!=0x01) /設(shè)定高電平數(shù)不等于最小值 PWMH - -; /設(shè)定高電平數(shù)減一if(PWMH= =0x01) /設(shè)定高電平數(shù)等于最小值 TR0=0; /停止中斷處理 P1_0=0; /輸出保持為低電平 else T

18、R0=1; /開啟中斷處理 七、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖八、仿真結(jié)果九、結(jié)論分析 從直流電動機的控制要求出發(fā)，我們需要控制高電平輸出的個數(shù)，即在某個周期內(nèi)輸出高電平的比例，稱為PWM占空比。PWM占空比越大，電動機獲得的能量就越大，電動機就轉(zhuǎn)動的越快。用單片機控制占空比的常用方法是用定時器來實現(xiàn)，用定時器輸出固定的脈沖寬度，以此來計數(shù)，確定在某個周期內(nèi)輸出的脈沖個數(shù)。通過調(diào)節(jié)兩個按鈕，可以改變占空比。不斷按下按鈕1，使占空比不斷擴大，直至全部為高電平，即為一條高電平線，不斷按下按鈕2，將使占空比不斷減小，直至全部為低電平，即為一條低電平線。在Proteus電路中加載程序運行后，可以看到電動機轉(zhuǎn)動，

19、點擊加速按鈕，占空比不斷加大，轉(zhuǎn)速也同步增加，有一定的滯后和慣性。點擊減速按鈕，占空比隨之減小，轉(zhuǎn)速也同步減小。十、心得體會在實習(xí)中，我們在指導(dǎo)教師的幫助下，將所學(xué)知識和實習(xí)內(nèi)容相互結(jié)合、相互驗證，并對一些實際問題加以分析和討論。計算機控制技術(shù)課程設(shè)計是我們重要的電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實踐課，因此培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力就顯得尤為重要。通過實習(xí)加深了我對課堂知識的理解，我也初步了解和掌握一般的電工電子工藝技能以及控制技術(shù)。  通過這次課程設(shè)計，我確實是學(xué)到了很多知識，也拓展了自己的的視野。通過這一次的實習(xí)，也增強了我的動手操作的能力。從實習(xí)的整個過程中，我認識到自己的很多不足，比如

20、對以前學(xué)的知識都忘記了很多，對自己學(xué)過的知識還不能靈活的應(yīng)用到實際中。也就是對所學(xué)的知識掌握的不夠熟練。我們應(yīng)該隨時把學(xué)過的知識拿出來復(fù)習(xí)，提高自己的基礎(chǔ)知識和綜合應(yīng)用能力。并且也應(yīng)不斷培養(yǎng)我們的規(guī)范化的工作作風(fēng)，以及我們的團結(jié)協(xié)作的團隊的精神。通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)設(shè)計方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手設(shè)計程序，電路圖，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)

21、，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和學(xué)習(xí)實踐過程中，我更應(yīng)該從這次的實習(xí)中吸取經(jīng)驗，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可！課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門辯思課，給了我許多啟發(fā)，給了我很多思考，也給了我莫大的空間。同時，課程設(shè)計讓我感觸很

22、深。使我對抽象的理論有了具體的認識。我認為，在這學(xué)期的課設(shè)中，不僅培養(yǎng)了大家獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實習(xí)課上，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實驗結(jié)束之后變的更加成熟，會面對需要面對的事情。實習(xí)雖然只有短短的一周，但回顧起此次計算機控制技術(shù)課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是

23、可以學(xué)到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。課程設(shè)計過程中，也對大家的團隊精神進行了考察，讓我們在合作上更加默契，在成功后一起體會喜悅的心情。果然是團結(jié)就是力量，只有互相之間默契融洽的配合才能換來最終完美的結(jié)果。此次設(shè)計也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時請教或上網(wǎng)查詢，只要認真鉆研，動腦思考，動手實踐，就沒有弄不懂的知識，收獲頗豐。十一、參考文獻 1 王清靈，龔幼民.現(xiàn)代礦井提升機電控制系統(tǒng).北京:機械工業(yè)出版，1996.1-6 2 Qing-Guo Wang.Partial Internal Model Control. IEEE Transactions on Indu