基于單片機(jī)對直流電機(jī)的控制

1、基于單片機(jī)對直流電機(jī)的控制第十五組姓 名： 吳代露 20131325010 張鵬飛 20131325012金靜麗 20131325014周 敏 20131325015胡會華 20131325017顧 蓉 20131325018專 業(yè)： 2013級信息工程（系統(tǒng)工程方向）指導(dǎo)老師： 周 旺 平 2014.12.22基于單片機(jī)對直流電機(jī)的控制內(nèi) 容 摘 要電動機(jī)作為最主要的動力源，在生產(chǎn)和生活中占有重要地位。電動機(jī)的調(diào)速控制過去多用模擬法，隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機(jī)的控制也發(fā)生了深刻的變化。關(guān)鍵字 ：電動機(jī) 飛思卡爾 PWM控制一、引言（一）直流電機(jī)的定義直流

2、電機(jī)（direct current machine）:是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。（二）直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 由直流電動機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換

3、的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。（三）直流電機(jī)工作原理 直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動。直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑?。感?yīng)電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向）。導(dǎo)體受力的方向用左手定

4、則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。（四）直流電機(jī)的分類直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。 （1）無刷直流電動機(jī)：無刷直流電動機(jī)是將普通直流電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電動機(jī)類似。無刷直流電動機(jī)定子的結(jié)構(gòu)與普通的同步電動機(jī)或感應(yīng)電動機(jī)相同在鐵芯中嵌入多相繞組(三相、四相、五相不等)

5、繞組可接成星形或三角形，并分別與逆變器的各功率管相連，以便進(jìn)行合理換相。由于電動機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以習(xí)慣上把無刷直流電動機(jī)也叫做永磁無刷直流電動機(jī)。 （2）有刷直流電動機(jī)：又可分為永磁直流電動機(jī)和電磁直流電動機(jī)。 永磁直流電動機(jī)劃分：稀土永磁直流電動機(jī)、鐵氧體永磁直流電動機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)。稀土永磁直流電動機(jī)：體積小且性能更好，但價(jià)格昂貴，主要用于航天、計(jì)算機(jī)、井下儀器等；鐵氧體永磁直流電動機(jī)：由鐵氧體材料制成的磁極體,廉價(jià)，且性能良好，廣泛用于家用電器、汽車、玩具、電動工具等領(lǐng)域；鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)：需要消耗大量的貴重金屬、價(jià)格較高，但對高溫的適應(yīng)性好，用于環(huán)境溫度較高或?qū)﹄妱訖C(jī)的

6、溫度穩(wěn)定性要求較高的場合。 電磁直流電動機(jī)劃分：串勵直流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和復(fù)勵直流電動機(jī)。 （1）串勵直流電動機(jī)：電流串聯(lián)，分流，勵磁繞組是和電樞串聯(lián)的，直流串勵電動機(jī)通常用較粗的導(dǎo)線繞成，他的匝數(shù)較少。 （2）并勵直流電動機(jī)：并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)。（3）他勵直流電動機(jī)：勵磁繞組與電樞沒有電的聯(lián)系，勵磁電路是由另外流電源供給的。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。（4）復(fù)勵直流電動機(jī)：復(fù)勵直流電機(jī)有并勵和串勵兩個(gè)勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個(gè)磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵 。二、基礎(chǔ)知識（一）PWM

7、寄存器相關(guān)基礎(chǔ)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation 簡稱PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電子電力技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科

8、學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振波開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。PWM就是脈沖脈寬調(diào)制，輸出的波形就是一些不同占空比的方波，波形周期和占空比你都可以設(shè)定。占空比(Duty Ratio)在一串理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。看下圖，T是周期，高電平時(shí)間t除以周期T就叫占空比。（1）PWM使能寄存器PWME。 PWME7:0=1;相應(yīng)的PWM模塊使能，否則禁止。（2）PWM極性寄存器PWMPOL。PPOL7:0=1,PWM通道輸出在開始的時(shí)候?yàn)楦唠娖?，?說明開始時(shí)為低電平。（3）PWM時(shí)鐘選擇寄存器PW

9、MCLK。PCLK*=1，使用時(shí)鐘SA或SB作為時(shí)鐘源，PCLK*=0,使用時(shí)鐘A或B作為時(shí)鐘源。（4）PWM預(yù)分頻時(shí)鐘選擇寄存器PWMPRCLK：（5）SA寄存器PWMSCLA，用來設(shè)置SA時(shí)鐘源頻率 SA的時(shí)鐘頻率 fSA=fA/(2*PWMSCLA),如果PWMSCLA=0x00，fSA=fA/512.（6）PWM中間對齊使能寄存器PWMCAE： CAE7:0=1,采用中間對齊模式；CAE7:0=0,采用左對齊模式。（7）PWM通道周期寄存器（PWMPERX） 具體按如下公式計(jì)算，左對齊時(shí)：PWM周期=通道時(shí)鐘周期*PWMPERX； 中間對齊時(shí)：PWM周期=通道時(shí)鐘周期*2*PWMPER

10、X； （8）PWM占空比寄存器PWMDTYX： PWM的占空比按如下公式計(jì)算： PWM占空比計(jì)算和極性寄存器PWMPOL有關(guān)，當(dāng)PPOLx=0時(shí)，占空比=（周期寄存器值減去占空比寄存器值）除以周期寄存器值；當(dāng)PPOLx=1時(shí)，占空比=占空比寄存器值除以周期寄存器值。（二） L298NL298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號

11、控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。L298N 是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48v，邏輯部分5v供電，接受5vTTL電平。一般情況下，功率部分的電壓應(yīng)大于6V否則芯片可能不能正常工作。管腳圖如下：應(yīng)用框圖如下： L298N驅(qū)動特點(diǎn)：1) 具有信號指示2) 轉(zhuǎn)速可調(diào)3) 抗干擾能力強(qiáng)4) 具有過電壓和過電流保

12、護(hù)5) 可單獨(dú)控制兩臺直流電機(jī)6) 可單獨(dú)控制一臺步進(jìn)電機(jī)7) PWM脈沖平滑調(diào)速8) 可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)9) 采用光電隔離三 系統(tǒng)設(shè)計(jì) （一） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖XS128單片機(jī)晶振電路狀態(tài)顯示電路復(fù)位電路按鍵控制電路L298N驅(qū)動直流電機(jī) （二）軟件設(shè)計(jì)流程圖開始初始化鎖相環(huán)電路PWM初始化主函數(shù)結(jié)束一般按鍵在按下的時(shí)候有抖動的問題，即鍵的簧片在按下時(shí)會有輕微的彈跳，需經(jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間才會可靠地接觸。若在簧片抖動時(shí)進(jìn)行掃描就可能得出不正確的結(jié)果。因此，在程序中要考慮防抖動的問題。程序#include <hidef.h> /*與普通的宏定義*/#include "derivati

13、ve.h" /*導(dǎo)數(shù)定義*/int read_porta,key,cntl=0;int encoder_cnt;/*/* 初始化鎖相環(huán) */*/void PLL_32M(void) /總線時(shí)鐘= 32MHz，PLL時(shí)鐘= D/A CLKSEL &= 0x7f; /集oscclk作為系統(tǒng)時(shí)鐘 PLLCTL &= 0x8F; /禁用PLL電路 CRGINT &= 0xDF; SYNR = 0x43; REFDV = 0x81; /鎖相環(huán)頻率= 2×oscclk×（同步讀+ 1）/（refdv + 1）D/A PLLCTL = PLLCTL |

14、0x70; /使鎖相環(huán)電路 asm NOP; asm NOP; /匯編指令nop，空操作，其執(zhí)行時(shí)間是一個(gè)時(shí)鐘周期 while(!(CRGFLG&0x08); /鎖相環(huán)頻率鎖定 CLKSEL |= 0x80; /設(shè)置鎖相環(huán)頻率作為系統(tǒng)時(shí)鐘void gpio_inits(void) /通用輸入輸出接口 DDRA=0x00; /A端口的方向寄存器/*/* PWM初始化 */*/void PWM_inits(void)PWME_PWME0=0; / PWM使能關(guān)閉 PWMPRCLK=0x05; / 預(yù)分頻時(shí)鐘寄存器PWMCLK_PCLK0=0; /時(shí)鐘選擇寄存器PWMSCLA=0x7D; /

15、SA寄存器PWMPOL_PPOL0=1; / 極性設(shè)置開始輸出高電平PWMCAE_CAE0=0; /對齊方式左對齊PWMCTL=0x00; / 控制寄存器設(shè)置-無級聯(lián)PWMDTY0=0; / 占空比PWMPER0=0x64; / 周期100PWMCNT0=0x00; /延時(shí)計(jì)數(shù)PWME_PWME0=1; / Enable PWM 使能void delay(unsigned int i) /演示函數(shù)未測試具體時(shí)間僅用來測試系統(tǒng)是否運(yùn)行 unsigned int k,j; for(j=0;j<i;j+) for(k=0;k<125;k+);void main(void)PLL_init

16、s();gpio_inits(); PWM_inits(); EnableInterrupts;for(;) _FEED_COP(); / feeds the dog read_porta=PORTA;if(read_porta&0x01)delay(5); /延遲消抖if(read_porta&0x01)key=1;if(read_porta&0x02)delay(5);if(read_porta&0x02)key=2;if(read_porta&0x04)delay(5);if(read_porta&0x04)key=3;if(read_po