直流電機(jī)PWM調(diào)速

/直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWＭ控制 測(cè)速?? ?? ? ? ?王鵬輝?? ????? 姬玉燕摘要本設(shè)計(jì)采用PWM的控制原理來(lái)完成對(duì)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及其加速、減速過(guò)程的控制，在此過(guò)程中是通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器加上中斷的方式產(chǎn)生不同時(shí)長(zhǎng)的高低電壓脈沖信號(hào)來(lái)完成。并通過(guò)霍爾傳感器對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)定，最后將實(shí)時(shí)測(cè)定的轉(zhuǎn)速數(shù)值1602液晶屏上。關(guān)鍵詞:PWM控制直流電機(jī)霍爾傳感器１60２液晶顯示屏L298驅(qū)動(dòng)一、設(shè)計(jì)目的：了解直流電機(jī)工作原理，掌握用單片機(jī)來(lái)控制直流電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法，熟悉直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與調(diào)試,能夠熟練應(yīng)用ＰWＭ方法來(lái)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和加減速，提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試水平.1。1系統(tǒng)方案提出和論證轉(zhuǎn)速測(cè)量的方案選擇，一般要考慮傳感器的結(jié)構(gòu)、安裝以及測(cè)速范圍與環(huán)境條件等方面的適用性;再就是二次儀表的要求,除了顯示以外還有控制、通訊和遠(yuǎn)傳方面的要求。本說(shuō)明書中給出兩種轉(zhuǎn)速測(cè)量方案，經(jīng)過(guò)我和伙伴查資料、構(gòu)思和自己的設(shè)計(jì)，總體電路我們有兩套設(shè)計(jì)方案，部分重要模塊也考慮了其它設(shè)計(jì)方法，經(jīng)過(guò)分析，從實(shí)現(xiàn)難度、熟悉程度、器件用量等方面綜合考慮,我們才最終選擇了一個(gè)方案。下面就看一下我們對(duì)兩套設(shè)計(jì)方案的簡(jiǎn)要說(shuō)明。1．2方案一：霍爾傳感器測(cè)量方案霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作的？其核心元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的霍爾元件。本文介紹一種泵驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3．1,霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖如圖3.2。傳感器的定子上有2個(gè)互相垂直的繞組A和B，在繞組的中心線上粘有霍爾片HA和HB，轉(zhuǎn)子為永久磁鋼，霍爾元件HＡ和ＨB的激勵(lì)電機(jī)分別與繞組Ａ和B相連，它們的霍爾電極串聯(lián)后作為傳感器的輸出。圖3。1霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖方案霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的接線圖缺點(diǎn):采用霍爾傳感器在信號(hào)采樣的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)采樣不精確，因?yàn)樗强看判愿袘?yīng)才采集脈沖的，使用時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)出現(xiàn)磁性變小,影響脈沖的采樣精度。１.3方案二：光電傳感器整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖如圖3。2所示。從圖中可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子由一直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。轉(zhuǎn)速信號(hào)由光電傳感器拾取,使用時(shí)應(yīng)先在轉(zhuǎn)子上做好光電標(biāo)記，具體辦法可以是:將轉(zhuǎn)子表面擦干凈后用黑漆（或黑色膠布）全部涂黑，再將一塊反光材料貼在其上作為光電標(biāo)記，然后將光電傳感器（光電頭)固定在正對(duì)光電標(biāo)記的某一適當(dāng)距離處。光電頭采用低功耗高亮度LＥD，光源為高可靠性可見(jiàn)紅光，無(wú)論黑夜還是白天，或是背景光強(qiáng)有大范圍改變都不影響接收效果.光電頭包含有前置電路,輸出０—5Ｖ的脈沖信號(hào)。接到單片機(jī)89C51的相應(yīng)管腳上，通過(guò)8９C５1內(nèi)部定時(shí)/計(jì)時(shí)器T0、T1及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì),組成一個(gè)數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng).圖3。2測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖優(yōu)點(diǎn)：這種方案使用光電轉(zhuǎn)速傳感器具有采樣精確，采樣速度快，范圍廣的特點(diǎn)。綜上所述,方案二使用霍爾傳感器來(lái)作為本設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容：直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制,轉(zhuǎn)速測(cè)定、調(diào)節(jié)及其顯示.三、工作原理3.1直流電機(jī)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)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(dòng)的部分稱為定子,定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)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(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子,其主要作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐,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。導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞的一個(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?lè)较?企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。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?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了１8０°后，導(dǎo)體cd邊轉(zhuǎn)到Ｎ極下，導(dǎo)體ab邊轉(zhuǎn)到Ｓ極下時(shí),由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷Ａ流入,經(jīng)過(guò)導(dǎo)體cd、ab后，從電刷B流出.這時(shí)導(dǎo)體ｃｄ邊受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ａb邊受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较?。因?電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體ａb和cｄ流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷A流入的方向,而在Ｓ極下時(shí)，總是從電刷Ｂ流出的方向.這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。3。２直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)L29８N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS,VSＳ可接4.5～7Ｖ電壓。4腳VS接電源電壓,ＶS電壓范圍VＩＨ為+2．5~４６V.輸出電流可達(dá)２。５A(chǔ),可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和１5腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻,形成電流傳感信號(hào)。Ｌ２98可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUＴ1，OUT2和OUT3，OＵT４之間可分別接電動(dòng)機(jī),本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。５，7，10，１2腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EｎB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表1是L２98Ｎ功能邏輯圖。Ｉn3，Ｉn４的邏輯圖與表1相同.由表1可知ＥnA為低電平時(shí),輸入電平對(duì)電機(jī)控制起作用，當(dāng)ＥnA為高電平,輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停.二、系統(tǒng)總體框圖與原理說(shuō)明?2.１總體方案原理及設(shè)計(jì)框圖? 本設(shè)計(jì)是基于ＡT89c5１為核心的直流調(diào)速器，由單片機(jī)控制和產(chǎn)生適合要求的PＷM信號(hào)，該P(yáng)ＷM信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片電路進(jìn)行直流調(diào)速,使輸出電壓平均值和功率可以按照ＰWＭ信號(hào)的占空比而變化，從而達(dá)到對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的目的.撥碼開(kāi)關(guān)輸入0～1范圍的占空比,用LCＤ1６02作為主液晶顯示器,顯示輸入的占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,能夠?qū)崿F(xiàn)較好的人機(jī)交互。撥碼開(kāi)關(guān)輸入模塊撥碼開(kāi)關(guān)輸入模塊AT89c51單片機(jī)LCD1602顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)示波器顯示PWM波形用壓控振蕩器（可用555電路構(gòu)成）來(lái)模擬直流電機(jī)的運(yùn)行總體方案設(shè)計(jì)框圖三、硬件電路圖?３.1PＷM產(chǎn)生方式?（１）PWM(脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)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)用在很多方面，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(kāi)的電源,并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)"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)的轉(zhuǎn)速。正因?yàn)槿绱?，PＷＭ又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”.PWM波形如圖所示:PWM波形圖?設(shè)電機(jī)始終接通電路時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，設(shè)占空比為:則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為其中指的是電機(jī)的平均速度，是指電機(jī)在全通電時(shí)最大速度,Ｄ指的是占空比.由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)改變占空比D時(shí)，就可以得到不同電機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 （２)單片機(jī)片內(nèi)軟件生成PWM信號(hào) ?PWM信號(hào)采用單片機(jī)定時(shí)中斷的方式軟件模擬產(chǎn)生，這樣實(shí)現(xiàn)比較容易，可以節(jié)約硬件成本.//====＝=====＝＝======＝定時(shí)器０初始化設(shè)置=＝===＝======＝====＝=／／＝＝============＝====定時(shí)器0初始化設(shè)置＝===＝＝=＝=＝==＝=＝＝==＝voidTｉｍｅ0_Init(）//定時(shí)器0初始化函數(shù)｛ TＭOD=0x01；//定時(shí)器０為工作方式1 TH0=(655３6-50000）／2５6; TL0=(65536-50０0０)％256;//初始化為定時(shí)時(shí)間為50ｍs EＴ0=1；//開(kāi)定時(shí)器0中斷?TR０＝１；//開(kāi)定時(shí)器?EA=1；/／開(kāi)總開(kāi)關(guān)}//＝＝==＝=====＝==＝＝===定時(shí)器０中斷服務(wù)程序=＝=====＝=＝＝====?voｉｄｔimer0_server(voiｄ）interrｕｐt3｛if(PWM_flag){TＨ０=（65536-PWM＿datａ*200）／2５6;TL０＝(65536—ＰWM_daｔa＊２00)％２５6; ＰWM=1; PWM_flaｇ＝～PWM＿ｆｌag；}eｌse｛TH１=（45５3６+PWM_data*20０)／２５6；TＬ1＝(4５536＋PWM_data＊20０）%256;／/初始化為定時(shí)時(shí)間為20ｍｓ?PWM=0; PWＭ＿ｆlag=~ＰWM＿fｌaｇ;｝3.2開(kāi)關(guān)模塊的設(shè)計(jì)?本設(shè)計(jì)輸入用8位的撥碼開(kāi)關(guān),能產(chǎn)生256數(shù)值，每一種數(shù)值對(duì)應(yīng)于一個(gè)占空比的值,當(dāng)輸入為2５6時(shí)，最大的占空比為9９％,能調(diào)節(jié)到最大的電機(jī)轉(zhuǎn)速.3．3顯示模塊的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)用LCD１602作為顯示模塊，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，可以顯示兩行，提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。3。4直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本設(shè)計(jì)采用L２９8D，傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，然后，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速。３.３模擬直流電機(jī)測(cè)速模塊 ５５5定時(shí)器,構(gòu)成簡(jiǎn)單的振蕩電路，利用電阻和電容充放電原理,是輸出端產(chǎn)生方波信號(hào),即可模擬簡(jiǎn)單的脈沖，代替電機(jī)的測(cè)速,電機(jī)測(cè)速一般都是利用霍爾元件測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)了多少圈，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件檢測(cè)電機(jī)觸發(fā)的脈沖，則會(huì)輸出響應(yīng)的信號(hào)。光電隔離主要用來(lái)處理控制部分和強(qiáng)電部分的信號(hào)，減少控制部分受強(qiáng)電的干擾。起隔離作用。 四、程序流程圖開(kāi)始開(kāi)始LCD1602、定時(shí)器t1和t0初始化開(kāi)關(guān)PWM值主函數(shù)把數(shù)據(jù)送到LCD1602，顯示轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等待重新設(shè)置PWM值YN五、仿真說(shuō)明?(１)初始界面時(shí)，撥碼開(kāi)關(guān)沒(méi)有設(shè)置ＰWM,直流電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，LCD16０２顯示PWM為00０％在LCD上顯示Moｔoｒ_Speeｄ為256，這就是在一定時(shí)間內(nèi)低電平的數(shù)目.由于INT0是屬于低電平輸入中斷類型的,根據(jù)這個(gè)原理再通過(guò)計(jì)數(shù)器Ｔ1來(lái)記錄IＮT0的中斷次數(shù)即是轉(zhuǎn)速。?(２)通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的值,使占空比增大，從而使直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速變大。六、心得體會(huì)本設(shè)計(jì)通過(guò)仿真基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速和測(cè)速。課程設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用與理解，引入了L298D芯片的使用與了解其作用，對(duì)掌握驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的方法有一定得要求，通過(guò)這幾天網(wǎng)上的一些相關(guān)資料的查閱，順利的完成了這個(gè)課程設(shè)計(jì),但在仿真過(guò)程中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題上還有著紕漏，在電機(jī)的測(cè)速的模塊的編程不夠完美.通過(guò)本次課程設(shè)計(jì),加深了之前的單片機(jī)知識(shí)和相應(yīng)仿真軟件的使用.拓寬了本人的知識(shí)面，拓展了視野和思維。設(shè)計(jì)一個(gè)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng),無(wú)論從學(xué)習(xí)還是實(shí)踐的角度上來(lái)說(shuō)，對(duì)電氣專業(yè)的大學(xué)生都會(huì)產(chǎn)生積極的作用，有利于提高學(xué)習(xí)熱情。附錄#include＜ｒｅg５2．h＞#include<ｍath。h＞＃include<strｉng。ｈ〉#iｎclｕde〈aｂsacc.h>＃iｎclude<lcd1602．h〉//================＝====＝＝===＃defｉｎｅuchaｒunｓiｇnedｃhar＃dｅｆineuiｎｔｕnsignediｎt/／===＝==＝=====＝===========＝=＃ｄefineDaｔａ_ＢｕｓP1sｂｉtＰWＭ=P３^0；ｂitPWM_flａｇ=0;unsigｎedcｈaｒTｉme＿flag＝０；ｕnsiｇnedchａrDＳＷ_dａt(yī)a=0x00;unsigneｄｃhaｒPＷM_dａｔａ=0；uｎsigｎｅdintSｐeｅｄ_ｄata=0；unsignedｃhaｒPWM_Ｐrecent［5］=｛0x３0,０ｘ30，'％＇}；unsiｇneｄcｈａｒMotｏrＳpeｅd[5]={0ｘ30，0x3０,０x30}；/／-——-—-—－—－———－－-—-－-—／/－-——－--函數(shù)聲明-—－－-－——voiddｅｌａy（ｕｉnt）；ｖoiddｅlay_ms（uｎsignｅdｉntiｉ）;/／1ms延時(shí)函數(shù)voiｄget_PWM(void）;voｉdget_Speed(void);//===＝===＝＝＝====＝=＝＝=＝延時(shí)子函數(shù)=======＝==＝===＝========＝＝voiddelａｙ(uiｎｔｚ）｛uinｔx，y；foｒ（ｘ=z；x〉０;ｘ——)fｏr(y＝11０；y＞0;y—-）;}voiddｅlay_mｓ(unsigｎediｎtii）／／1ms延時(shí)函數(shù){ unsiｇneｄinti,x； fｏr（x=0；x<iｉ；ｘ+＋）?{ for(i=０;ｉ<２00；i++）；?}｝//====＝＝=＝=＝===＝＝＝=＝＝外部中斷0初始化程序====＝=＝＝＝＝=＝=＝=ｖoiｄＩnit_int０(voｉd）｛ＥX0=1;／/開(kāi)外部中斷０IT0=1；//觸發(fā)EＡ=1；}//==＝=====＝==＝==＝=＝＝外部中斷０服務(wù)程序＝=====＝=＝＝======＝==?vｏidInｔ0_serveｒ（ｖoid)intｅrｒupt０｛EA＝0；Ｓpeed_data++；EA=１；｝//=＝===＝＝=======＝====定時(shí)器0初始化設(shè)置====＝==＝＝=====＝====voｉｄTime0_Inｉt（）//定時(shí)器0初始化函數(shù){?TMOD=0x01;／/定時(shí)器０為工作方式1?TH0=（６５５36－5０000）/２56； TL0=（６5536-500００）％256；//初始化為定時(shí)時(shí)間為50ms?ET0=1；//開(kāi)定時(shí)器0中斷 TR０=1；/／開(kāi)定時(shí)器?ＥA=1；／/開(kāi)總開(kāi)關(guān)}/／===＝==============定時(shí)器0中斷服務(wù)程序=＝=======＝==＝=＝voｉdTime0＿Ｉｎｔ（）inteｒｒupｔ1//定時(shí)器０中斷子函數(shù)｛?ＴＨ0=(65536－50000）/2５６; ＴL0=(6553６-５0000)%256;//初始化為定時(shí)時(shí)間為50ms?Ｔｉmｅ_ｆｌag＋+;?if(Tiｍe＿fｌag＝=20） ｛ Tｉme_ｆｌag=０;get_Ｓpeｅd()；?｝}／/=========＝=====＝====定時(shí)器1初始化設(shè)置===＝=====＝=====計(jì)算方波數(shù)voiｄinit_timeｒ1(ｖoｉｄ)｛?TMＯＤ|=０x１０;//定時(shí)器1為工作方式116bit?TＨ1＝０xFF；?ＴL1=0xFＥ; EＴ1=１;/／開(kāi)定時(shí)器1中斷 TR1=１；／／開(kāi)定時(shí)器?EA＝1；/／開(kāi)總開(kāi)關(guān)}/／====＝======＝===＝＝=定時(shí)器1中斷服務(wù)程序=======＝======＝ vｏiｄtimeｒ1_servｅr（vｏｉd)inteｒrupt３{if(PWM＿flaｇ){TH１=（655３6－PWM＿dａt(yī)a＊200）/256；ＴL１=(655３6-ＰWM＿dａt(yī)ａ*2０0)％256；?PWM=１；?ＰWM＿flag=～PWM_flag；｝ｅlsｅ｛TH１=(45５36+ＰWM_data＊2０0)/256；TＬ１＝(45５36＋ＰWM＿daｔa*2０0）%256；//初始化為定時(shí)時(shí)間為２０ms PWＭ＝0；?ＰWＭ＿ｆlag=～PWM_fｌaｇ；｝}//===＝==＝====＝=====＝get_PWM===＝=＝＝＝=＝==========＝=====＝=voidget＿ＰWM(voｉｄ）{DSW_data=Data_Ｂｕs；ｉf（ＤＳW_data==0x０0) { TＲ1＝0； ?PWM=0； PWＭ_Precent［0]＝0x３0； PWM_Ｐrｅcｅｎt［１］＝0ｘ30； }?else?