華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電機(jī)課程設(shè)計(jì)星期三修改版

1、 電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì).指導(dǎo)教師 楊秀麗學(xué)院名稱工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化論文提交日期2016年6月24日 論文答辯日期2016年6月28日I摘 要根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)設(shè)計(jì)要求，直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)電路控制；同時(shí)按下按鍵調(diào)制出不同的PWM波可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。通過(guò)這2部分的組合，便構(gòu)成了以PWM脈寬進(jìn)行調(diào)速的直流電機(jī)控制系統(tǒng)。報(bào)告會(huì)說(shuō)明PWM電路對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制原理、L298芯片的驅(qū)動(dòng)原理及

2、電路設(shè)計(jì)軟件部分相對(duì)應(yīng)的情況。通過(guò)所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，以STC89C52和L298組成的的直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路不僅接線簡(jiǎn)單，操作方便，而且性能相對(duì)比較穩(wěn)定，能較好地驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)鍵字：STC89C52 L298 PWM波形 直流電機(jī)目 錄1 前言11.1 PWM波調(diào)速研究背景12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案12.1 PWM波調(diào)速研究思路 12.2 晶閘管調(diào)速研究思路12.3 方案確定23 系統(tǒng)硬件電路23.1 系統(tǒng)硬件電路圖23.1.1 系統(tǒng)總體電路圖23.1.2 實(shí)際電路圖23.2 電源電路.23.3 驅(qū)動(dòng)電路.43.4 按鍵控制電路54 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).65 系統(tǒng)四象限運(yùn)行原理.76 系

3、統(tǒng)仿真.87 課程設(shè)計(jì)總結(jié).9參考文獻(xiàn)10附錄11附錄1 元器件選擇及清單12附錄2 程序代碼13致謝18 II1 前言1.1 PWM波調(diào)速研究背景微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價(jià)比越來(lái)越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)

4、，使電機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣;過(guò)載能力大,能承受頻繁的沖擊負(fù)載,可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn);需要能滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，從而對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，這時(shí)通過(guò)PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)運(yùn)而生。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 PWM波調(diào)速研究思路直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速

5、，能夠方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。主體電路：即直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由STC89C52單片機(jī)的I/O端口、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的智能控制。其間是通過(guò)STC89C52單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制直流電機(jī)工作的。該直流電機(jī)PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用獨(dú)立式鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)控制部分：主要由STC89C52單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主要由電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。2

6、.2 晶閘管調(diào)速研究思路晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難；晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的與都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損

7、壞器件。另外，由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，因此必須添置無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。2.3 方案確定鑒于方案一調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，因此本設(shè)計(jì)采用方案一。3 系統(tǒng)硬件電路3.1 系統(tǒng)硬件電路圖3.1.1 系統(tǒng)總體電路圖本課程設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生電信號(hào)控制L298M,進(jìn)而控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，采用按鍵輸入，方案如圖1所示。正轉(zhuǎn)按鍵反轉(zhuǎn)按鍵加速按鍵減速按鍵51單片機(jī)（輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）單片機(jī)（PWM發(fā)生器電機(jī)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖1 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖3.1.2 系統(tǒng)實(shí)際電路圖本系統(tǒng)硬件電路部分組成如圖

8、2所示。圖2 系統(tǒng)實(shí)際電路圖3.2 電源電路（1）芯片介紹電子產(chǎn)品中常見到的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。（2）電路原理圖本系統(tǒng)需要12V、5V兩種電源，因此電源電路采用7805用12V電源產(chǎn)生5V電壓，電路如圖3所示：圖3 電源電路3.3驅(qū)動(dòng)電路（1）L298內(nèi)部H橋原理L298內(nèi)部H橋電路,電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包

9、括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。如圖4所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍?。圖4 H橋驅(qū)動(dòng)電路圖4 H橋驅(qū)動(dòng)電路另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至

10、左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針?lè)较?上圖反方向）。(2)L298的邏輯功能當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM信號(hào),IN2為低電平信號(hào)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PWM信號(hào)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn)，電路如圖5所示。圖5 L298驅(qū)動(dòng)電路3.4按鍵控制電路用STC89C52單片機(jī)的P1口作按鍵掃描電路，首先P1口置高，當(dāng)鍵按下時(shí)，可檢測(cè)到P1口被置低，從而單片機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的函數(shù)。如圖：P2.0P2.3,分別控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速的功能，電路如圖6所示。圖6 按鍵控制電路4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本程序通過(guò)控制51單片機(jī)的定時(shí)器0進(jìn)行鍵盤掃描，根據(jù)按

11、鍵輸入信息選擇進(jìn)行操作的函數(shù)，進(jìn)行控制電機(jī)。先設(shè)定好占空比初始值，給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,流程圖如圖7所示。開始按鍵檢測(cè)正轉(zhuǎn)按鍵是否按下電機(jī)正轉(zhuǎn)Y反轉(zhuǎn)按鍵是否按下N電機(jī)反轉(zhuǎn)NY是否最低速加速按鍵是否按下速度減1YNYN是否最高速減速按鍵是否按下Y速度加1NNY根據(jù)設(shè)定的速度來(lái)控制時(shí)間，從而達(dá)到控制輸出脈沖的占空比來(lái)控制速度圖7 系統(tǒng)流程圖5 系統(tǒng)的四象限運(yùn)行原理直流電機(jī)的機(jī)械特性方程式的一般形式： 其中U-額定電壓;Ra-電樞電動(dòng)勢(shì)；Rc-電樞回路串入的電阻值。當(dāng)按規(guī)定正方向用曲線表示機(jī)械特性時(shí)，電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性即認(rèn)為機(jī)械特性位于直角坐標(biāo)的四個(gè)象限之中。在一、

12、三象限內(nèi)為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；二、四象限內(nèi)為制動(dòng)狀態(tài)。四象限調(diào)速表示電機(jī)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)四象限內(nèi)運(yùn)行。本系統(tǒng)是通過(guò)雙極式PWM變換器實(shí)現(xiàn)的。雙極式PWM變換器調(diào)節(jié)占空比>50%;<50%分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的

13、轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱耍琍WM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。圖8 PWM原理設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為Va= Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比D = t1 / T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，平均速度Vd 與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。在本設(shè)計(jì)中，使用單片機(jī)的P3.6、P3.7口作為PWM波發(fā)生器，當(dāng)P3.6為1，P3.7為0

14、，電機(jī)制動(dòng)并正轉(zhuǎn)；當(dāng)P3.6為0，P3.7為1時(shí)，電機(jī)制動(dòng)并反轉(zhuǎn)；PWM波的頻率為1Khz,用單片機(jī)的定時(shí)器0計(jì)數(shù)，通過(guò)改變占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。圖9 PWM發(fā)生電路6 系統(tǒng)仿真仿真軟件選擇Proteus ，在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當(dāng)程序在Keil C中調(diào)試通過(guò)后，會(huì)生成以hex為擴(kuò)展名的文件，這就是系統(tǒng)能夠在Proeus中成功進(jìn)行仿真的文件。將些文件加載到單片機(jī)仿真系統(tǒng)中，驗(yàn)證是否能完成對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是通過(guò)單片機(jī)程序控制PWM波的占空比而改變其正反轉(zhuǎn)的，當(dāng)正轉(zhuǎn)占空比大于反轉(zhuǎn)占空比時(shí)候電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)則反轉(zhuǎn)。電機(jī)正轉(zhuǎn)的仿真如圖10所示，反轉(zhuǎn)的仿真如圖11所示。若

15、需要加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速，相對(duì)應(yīng)地減小PWM波的占空比，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速適中；相反，需要減慢電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，則應(yīng)該加大PWM波的占空比。電機(jī)加速轉(zhuǎn)動(dòng)的仿真圖如圖12所示，減速的仿真圖如圖13所示。圖10 電機(jī)正轉(zhuǎn)波形圖圖11 電機(jī)反轉(zhuǎn)波形圖圖12 電機(jī)加速波形圖 圖13 電機(jī)減速波形圖7 課程設(shè)計(jì)總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)在電機(jī)與拖動(dòng)課程完成后進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們通過(guò)書本了解到了電機(jī)拖動(dòng)的基本知識(shí)，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，可以更好地把書本上的知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，有利于我們更好地掌握知識(shí)，提升設(shè)計(jì)，尋找問(wèn)題，動(dòng)手的能力。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們尋找相關(guān)的資料，加深自身的知識(shí)儲(chǔ)備。在動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程中也一步步地成長(zhǎng)

16、，從一開始的沒(méi)有頭緒到慢慢地理順知識(shí)，做出成品，對(duì)我們來(lái)說(shuō)都是一個(gè)進(jìn)步的體現(xiàn)，感謝幫助過(guò)我的老師和同學(xué)。18參 考 文 獻(xiàn)1陳亞愛(ài).周京華.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)及MATLAB仿真M.李正熙.第一版.機(jī)械工業(yè)出版社.2013.1.2王衛(wèi)星.單片機(jī)原理與開發(fā)技術(shù)M.鄧小玲,許童羽.第二版.中國(guó)水利水電出 版社.2009.1.3康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分M.鄒壽彬，秦臻.第五版.高等教育出版社：華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組.2006.1.4康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).數(shù)字部分M.鄒壽彬，秦臻.第五版.高等教育出版社：華中科技大學(xué)電子技術(shù)課程組.2006.1.5嚴(yán)復(fù)平.侏羅紀(jì)工作室智能車應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告J.20

17、09.3. 6 王兆安,電力電子技術(shù). 機(jī)械工業(yè)出版社,2005附 錄附錄1 元器件選擇及清單表1 元件清單：元件數(shù)量（個(gè)）元件數(shù)量（個(gè)）7805112v直流電機(jī)1按鍵5電容20P2電阻10310K電阻1STC89C521電容10727805電源12V沖孔板導(dǎo)線111若干電容104晶振40IC座焊錫111若干附錄2 程序代碼#include<reg52.h>sbit m1=P36;sbit m2=P37; sbit key1=P20;sbit key2=P21;sbit add_key=P23;sbit sub_key=P24;unsigned char flag=1,sflag=

18、0;unsigned int count=0,num=10;void key();if(!key1)delayms(5);if(!key1)while(!key1);if(sflag=1)flag=!flag;TR0=1;elseTR0=1;sflag=1;else if(!key2)delayms(5);if(!key2)while(!key2);TR0=0;m1=1;m2=1;sflag=0;else if(!add_key)delayms(5);if(!add_key)while(!add_key);if(num>=10)num=10;elsenum+;else if(!sub_key)delayms(5);if(!sub_key)while(!sub_key);if(num=0)num=0;elsenum-;void timeinit();TMOD=0X01;TH0=0XfC;TL0=0X66;ET0=1;EA=1;void main()m1=1;m2=1;P1=num;timeinit();while(1)key();P1=num;void int1() interrupt 1count+;if(count<=num)if(flag=1)m1=1;m2=0;elsem1=0;m2=1;elsem1=1;m2=