PWM波直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：PWM直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)學(xué)院：專業(yè)：班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：日期：引言1.1.1 開發(fā)背景21.2 數(shù)字控制器D(z)5二直流電動機(jī)調(diào)速概述42.1 直流電機(jī)調(diào)速原理4.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式5.2.3 8051單片機(jī)簡介三硬件電路設(shè)計(jì)-71.1 PWM波形的程序?qū)崿F(xiàn)7.1.2 直流電動機(jī)驅(qū)動8.1.3 續(xù)流電路設(shè)計(jì)9.4 軟件設(shè)計(jì)104.1 主程序設(shè)計(jì)1.0.4.2 數(shù)碼顯數(shù)設(shè)計(jì)1.14.3 功能程序設(shè)計(jì)1.2.4.4 仿真圖1.7.4.5 仿真結(jié)果分析1.8.5 心得體會18摘要：在國民生產(chǎn)中，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)已得到了全面的發(fā)展，其技術(shù)已應(yīng)用到各

2、個(gè)領(lǐng)域。在各類機(jī)電系統(tǒng)中,由于直流電機(jī)具有良好的啟動、制動和調(diào)速性能,直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面,最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制（PWM直流調(diào)速技術(shù)，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低的特點(diǎn).而利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制也成了直流調(diào)速的一種手段,數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高,控制軟件能夠進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算,可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律,此外還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的功能。關(guān)鍵字：80c51單片機(jī)；PWMB速技術(shù)；直流電動機(jī)一引言1.1開發(fā)背景1 緒論1.1 課題的研究背景和意義直流電動機(jī)是最早出現(xiàn)

3、的電動機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動機(jī)。長期以來，直流電動機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性；盡管近年來不斷受到其他電動機(jī)（如交流變頻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等）的挑戰(zhàn)，但到目前為止，它仍然是大多數(shù)調(diào)速控制電動機(jī)的優(yōu)先選擇。近年來，直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型的電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，使1采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，簡稱pwM制方式已成為絕對主流。這控制方式很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)，從而為直流電動機(jī)控制數(shù)字化提供了契機(jī)。五十多年來，直流電

4、氣傳動經(jīng)歷了重大的變革。首先，實(shí)現(xiàn)了整流器件的更新?lián)Q代，從50年代的使用己久的直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)組（簡稱G-M系統(tǒng)）及水銀整流裝置，到60年代的晶閘管電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)），使得變流技術(shù)產(chǎn)生了根本的變革。再到脈寬調(diào)制，變換器的產(chǎn)生，不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示了很大的優(yōu)越性，使電氣傳動完成了一次大的飛躍。另外，集成運(yùn)算放大器和眾多的電子模塊的出現(xiàn)，不斷促進(jìn)了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理器單片機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)，控制電路己實(shí)現(xiàn)高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅度提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。由于

5、系統(tǒng)的調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，所以，在對調(diào)速性能要求較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。技術(shù)迅速發(fā)展，走向成熟化、完善化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆、寬調(diào)、速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中一直居于壟斷地位。目前，國內(nèi)各大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)直流數(shù)字調(diào)速裝置。姚勇濤等人提出直流電動機(jī)及系統(tǒng)的參數(shù)辨識的方法。該方法依據(jù)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，應(yīng)用最小二乘法，即可獲得系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的內(nèi)部參數(shù)，所獲的參數(shù)具有較高的精度，方法簡便易行。張井崗等人提出直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)?？刂品椒?。該方法依據(jù)內(nèi)模控制原理，針對雙閉環(huán)直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種內(nèi)模控制器，取代常規(guī)的PI調(diào)節(jié)器，成功解決了轉(zhuǎn)速超調(diào)問題，能

6、使系統(tǒng)獲得優(yōu)良的動態(tài)和靜態(tài)性能，而且設(shè)計(jì)方法簡單，控制器容易實(shí)現(xiàn)。董芳英等人提出采用模糊控制方法，對模糊控制理論在小慣性系統(tǒng)上對其應(yīng)用進(jìn)行了嘗試。經(jīng)1.SKW電機(jī)試驗(yàn)證明，模糊控制理論可以用于直流并勵電動機(jī)的限流起動和恒速運(yùn)行控制，并能獲得理想的控制曲線。由于單片機(jī)以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，數(shù)字系統(tǒng)的控制精度和可靠性比模擬系統(tǒng)大大提高。而且通過系統(tǒng)總線，數(shù)字控制系統(tǒng)能與管理計(jì)算機(jī)、過程計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程電控裝置進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的分級自動化控制。所以，直流傳動控制采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，使系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新階段。PWM?制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)

7、展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PW腑制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PW腑制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PW檻制技術(shù)。1.2 數(shù)字控制器D(z)假設(shè)直流電機(jī)和PW臟制與變換器傳遞函數(shù)如圖所示，用最少拍方法設(shè)計(jì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制器D(z),y圖2晶閘管直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡化框圖二直流電動機(jī)調(diào)速概述2.1 直流電機(jī)調(diào)速原理直流電動機(jī)根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機(jī)分為自勵和他勵兩種類型。不同

8、勵磁方式的直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式：n=U/CMTR內(nèi)/C6其中：U電壓；一勵磁繞組本身的電阻；巾一每極磁通(Wb);G一電勢常數(shù)；C轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時(shí)受到磁極飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。圖1-1直流電機(jī)的工作原理圖電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制(PW

9、M應(yīng)用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，即改變直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，PWW被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。根據(jù)上圖，如果電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為VmaX,占空比為D=t1/T,則電機(jī)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(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)：基于單片機(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM,在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓Ud不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于

10、占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三種方法：A、定寬調(diào)頻法：保持ti不變，只改變t,這樣使周期（或頻率）也隨之改變。B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變ti,這樣使周期（或頻率）也隨之改變。C、定頻調(diào)寬法：保持周期T（或頻率）不變，同時(shí)改變ti和t。2.3 8051單片機(jī)簡介1. 8051單片機(jī)的基本組成8051單片機(jī)由CPU口8個(gè)部件組成，它們都通過片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用cpUra上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：8051基本結(jié)構(gòu)圖2. 8051單片機(jī)引腳圖

11、P1.01805140VCCP1.1239P0.0P1.233Sro1P13437F0.2536P0.3F15635F04P1.6734F0.5P1.7S33一F0.6RST/VPD932P07ESD/F3,01031EVVPFTXD/F3,11130-ALE/PECGINT0/F321229PSEMIHT1/F33-1328PZ7T0/F3.4142TP2.&Tl/P3,51526FZ5WP3.61625P2.4KE/F3,71724一P2.3XTAL21623一F2.2XTAL11922V2.1YSS2Q21F2.08051單片機(jī)引腳圖三硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用80C51控制輸出數(shù)據(jù)，由PW

12、Mt號發(fā)生電路產(chǎn)生PWM信號，送到直流電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的控制，達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。3.1 PWM波形的程序?qū)崿F(xiàn)隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，PW帔形采用軟件方法實(shí)現(xiàn)顯得非常靈活和實(shí)用以89C51單片機(jī)為控制核心，晶振頻率為0.1ms,頻率為比為1:12MH癥時(shí)計(jì)數(shù)器TO,T1作定時(shí)器使用，工作在方式1,定時(shí)時(shí)間為若PW成形的50Hz,占空1,則和R0載入30H和31H單元的值初始100,若在程序中利用按鍵產(chǎn)生中斷調(diào)用來改變30H和31H單元的值就可以改變占空比.系統(tǒng)流程圖如圖2-1所示：圖2-1程序流程圖3.2 直流電動機(jī)驅(qū)動在直流電動機(jī)的驅(qū)動中對大功率的電動機(jī)常采用IG

13、BT作為主開關(guān)元件，對中小功率的電機(jī)常采用功率場效應(yīng)管作為主開關(guān)元件另外還可以采用集成電路來完成對電機(jī)的驅(qū)動，系統(tǒng)采用集成電路L298來驅(qū)動電機(jī)L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能引腳圖L298是雙H高電壓大電流功率集成電路.直接采用L邏輯電平控制,可以驅(qū)動繼電器、直流電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)等電感性負(fù)載。其內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的功率放大回路。L298引腳符號及功能SENSASENSB分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地ENA、ENB使能端，輸入PWMI號IN1、IN2、IN3、IN4:輸入端，TTL邏輯電平信號OUT1OUT2OUT3OUT4輸出端，與對應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源，4.57VGND

14、:地VSS電機(jī)驅(qū)動電源，最小值需比輸入的低電平電壓高當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWMI號,IN2為低電平信號時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號，IN2為PWMt號時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);IN1與IN2相同時(shí),電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí),電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。3.3 續(xù)流電路設(shè)計(jì)由于電機(jī)具有較大的感性，電流不能突變，若突然將電流切斷，將在功率管兩端產(chǎn)生很高的電壓，損壞器件。我們在此電路中應(yīng)用的是二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)ㄐ?。二極管的選用要根據(jù)PWM6頻率和電機(jī)的電流來決定，二極管要有足夠迅速的恢復(fù)時(shí)間和足夠的電流承受能力。由于電機(jī)具有較大的感性，電流如果突變易損壞功率胳即L298芯片。

15、為保護(hù)芯片加上洗續(xù)流電路。電路的工作原理替如圖3.7所示。電路的工作原理：當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，若突然掉電，D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止；當(dāng)電四軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序設(shè)計(jì)該主程序主要完成初始化，設(shè)置定時(shí)常數(shù)和中斷入口程序，主程序不斷的循環(huán)處于等待中斷狀態(tài)ORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPINT0;ORG000BHLJMPITT0;ORG0030HSTART:MOVSP,#60HMOVR0,#00HT0中斷T1中斷;系統(tǒng)初始化;賦初值堆棧指針;給R0送值0;給R1送值0MOVR1,#00HCLR P1.6CLR P1.7MOV TMOD,#01H;寫控制字控制方式MOV TL0

16、,#0FFH;置定時(shí)常數(shù)MOV TH0,#0FFHSETB EA允許中斷SETB EX0允許外部中斷0SETB ET0允許TL0中斷CLR IT0SETB TR0啟動TL03-1主流程圖4.2 數(shù)碼顯數(shù)設(shè)計(jì)通過P1.1,P1.2口來控制數(shù)碼，顯示通過查表和調(diào)用延時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)的顯示程序代碼:MOVDPTR,#TABMOV40H,#0MOV41H,#0LED:SETBP1.1CLRP1.2MOVA,40HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLTTSCLRP1.1SETBP1.2MOVA,41HMOVCA,A+DPTRMOVP0,ALCALLTTSCLRP1.2LJMPLEDORG2000HT

17、AB:DB40H,79H,24H,30H,19HDB12H,02H,78H,00H,10H4.3 功能程序設(shè)計(jì)0P1.1 置 1;P1.2 清 040H 的內(nèi)容送往A；查表；查表所得A值送往P0 口;調(diào)用延時(shí)P1.1 清0P1.2 置141H 的內(nèi)容送往A；查表；查表所得A值送往P0 口;調(diào)用延時(shí)P1.2 口清 0LED結(jié)束中斷后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的功能鍵程序，為加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、暫停程序代碼：； P1.5 口取反；低電平定時(shí)；啟動 TL0;高電平定時(shí)；實(shí)現(xiàn)鍵盤控制ITT0:CPLP1.5JNBP1.5,Z1MOVA,#0FFHSUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0RETIZ1:MOVTH

18、0,R0SETBTR0RETIINT0:CLREX0MOVA,#0FFHMOVP2,AMOVA,P2JNBACC.0,JIAJNBACC.1,JIANJNBACC.2,FF列H匚賽Pl HPiZ調(diào)用過時(shí)圖3-2數(shù)碼顯示流程圖JNB ACC.3,ZZJNB ACC.4,TZAJMP CCJIA: CJNE R0,#0FFH,AAAJMP CCAA: MOV A,R0ADD A,#25MOV R0,AAJMP CCJIAN: CJNE R0,#00,BBAJMP CC|關(guān):隆W 口叫;實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速;實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速調(diào)用漁時(shí)P1 1 口滑 0,PL2 口第 1送裁至M 口P1.2 口浩 0圖3-3中斷子

19、程序流程圖建毅至兇口PlPl修第3BB:MOVA,R0SUBBA,#25MOVR0,AAJMPCCCC:MOVA,R0MOVB,#25DIVABMOVB,#10DIVABMOV40H,AMOV41H,BSETBEX0;調(diào)用延時(shí);調(diào)用延時(shí);調(diào)用延時(shí);調(diào)用延時(shí);電機(jī)反傳LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSRETIFF:SETBP1.6CLRP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTS;實(shí)現(xiàn)電機(jī)停止;延時(shí)子程序SETBEX0RETIZZ:CLRP1.6SETBP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETITZ:CLRP1.6CL

20、RP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETITTS:MOVR3,#0E0HTT1S:MOVR4,#40HTT0S:DJNZR4,TT0SDJNZR3,TT1SRETEND口團(tuán)因口西 0|四砧 國即舟中役日舞口修電 1 工工井/ I 叵lit* 1 JI08:RWSM-U1TTH1XT*U-M-JIW1 ._iL%。Ft 卬01 Pf I.IAII PI知5 Z添翼R Z再題N Pt 氏3 帥加比A 城aP2.W F1.1.WP2 WAlt 國Mil P2.*I2 P2.-5rA13 K.4/A14 R.?1SPJXJiRiD F3.l/n P-LIiTFUE

21、 FJJrtNH ra-faii 咫加Tl 陽加麻 Kl h冠雌CHM阻國 7SEG-MPK2DkBUUE 75eGMIWCCBLL 74565AND 5 AT6S51 DtlTTDML23flMDTORENtHDER HE5第CKW圖3-4仿真圖相應(yīng)電機(jī)的顯示如圖3-5所示在該設(shè)計(jì)中，利用Proteus軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖3-4所示:團(tuán)ZHIZTJOISISProifes-fiona：L(AjiiBating)laLd鼠工口口11iii.LjL宙5tirnrtHD|uf,ibriryTaiLpliLaSjiLvif,圖3-5仿真結(jié)果當(dāng)仿真開始運(yùn)行時(shí)，各個(gè)模塊處于初始狀態(tài)。點(diǎn)擊右邊的獨(dú)立鍵盤加速或是減速按鈕。顯示模塊便開始顯示數(shù)字，然后點(diǎn)擊正傳或是反轉(zhuǎn)。電機(jī)的驅(qū)動模塊能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等操作。且改變PW嘛沖時(shí)的占空比電機(jī)的工作電壓改變。因此，從仿真結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)可以得到預(yù)期的仿真效果。五心得體會通