單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)課程設計

計算機控制技術》課程設計單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)）摘要運動控制系統(tǒng)中應用最普遍的是自動調速系統(tǒng)。在工程實踐中，有許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)，并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據壟斷地位。當然，近年來，隨著計算機技術、電力電子技術和控制技術的發(fā)展，交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，并有望在不太長的時間內取代直流調速系統(tǒng)，但是就目前來講，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要方式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調速系統(tǒng)。而且，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術的角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。隨著電子技術和計算機技術的高速發(fā)展，直流電動機調速逐步從模擬化走向數字化，特別是單片機技術的應用，使直流電動機調速技術進入一個新的發(fā)展階段。因此，本次課程設計就是針對直流電動機的起動和調速性能好，過載能力強等特點設計由單片機控制單閉環(huán)直流電動機的調速系統(tǒng)。本設計利用AT89C52單片機設計了單片機最小系統(tǒng)構成直流電動機反饋控制的上位機。該上位機具有對外部脈沖信號技術和定時功能，能夠將脈沖計數用軟件轉換成轉速，同時單片機最小系統(tǒng)中設計了鍵盤接口和液晶顯示接口。利用AT89C52單片機實現直流電機控制電路，即直流電動機反饋控制系統(tǒng)的下位機，該下位機具有直流電機的反饋控制功能，上位機和下位機之間采用并行總線的方式連接，使控制變得十分方便。本系統(tǒng)能夠用鍵盤實現對直流電機的起/停、正/反轉控制，速度調節(jié)既可用鍵盤數字量設定也可用電位器連續(xù)調節(jié)并且有速度顯示電路。本系統(tǒng)操作簡單、造價低、安全可靠性高、控制靈活方便，具有較高的實用性和再開發(fā)性。關鍵詞：直流電動機 AT89C52 L298N模數轉換目錄1課題來源1.1設計目的計算機控制技術課程是集微機原理、計算機技術、控制理論、電子電路、自動控制系統(tǒng)、工業(yè)控制過程等課程基礎知識一體的應用性課程，具有很強的實踐性，為了使學生進一步加深對計算機控制技術課程的理解，掌握計算機控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計思路，以及對相關課程理論知識的理解和融會貫通，提高學生運用已有的專業(yè)理論知識分析實際應用問題的能力和解決實際問題的技能，培養(yǎng)學生獨立自主、綜合分析與創(chuàng)新性應用的能力，特設立《計算機控制技術》課程設計教學環(huán)節(jié)。設計任務1.掌握應用微處理器進行小型計算機控制系統(tǒng)的設計方法；2.熟悉計算機控制軟件的設計、編寫與調試流程，提高計算機控制系統(tǒng)軟件的編寫能力；熟悉計算機控制系統(tǒng)接口電路設計，系統(tǒng)集成技術；掌握計算機控制系統(tǒng)外圍電路的設計及元器件的選用；掌握計算機控制系統(tǒng)的調試及參數設置、系統(tǒng)性能測試；了解計算機人機界面程序的編寫，計算機串口通信程序編寫?？刂埔髮崿F一個單閉環(huán)直流電機調壓調速控制，用鍵盤實現對直流電機的起/停、正/反轉控制，速度調節(jié)要求既可用鍵盤數字量設定也可用電位器連續(xù)調節(jié)，需要有速度顯示電路。擴展要求能夠利用串口通信方式在PC上設置和顯示速度曲線并且進行數據保存和查看。需要自己購買直流電機和制作調壓電路，提供增量式速度編碼器作為速度傳感器。）1.4總體流程（1）根據系統(tǒng)控制要求設計控制整體方案；包括微處理芯片選用，系統(tǒng)構成框圖，確定參數測范圍等；（2）選用參數檢測元件及變送器；系統(tǒng)硬件電路設計，包括輸入接口電路、邏輯電路、操作鍵盤、輸出電路、顯示電路；（3） 建立數學模型，確定控制算法；（4） 設計功率驅動電路；（5）制作電路板，搭建系統(tǒng)，調試。2設計原理系統(tǒng)硬件的具體設計與實現（1）直流電機的結構及調速原理直流電機的結構是多種多樣的，但任何直流電機都包括定子部分和轉子部分，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，轉子部分主要由電樞繞組、換向器和轉軸等構成。結構圖如圖1：圖1直流電機結構圖1-電刷；2-磁軛；3-永久磁鋼；4-極靴；5-電樞繞組；6-內磁軛如圖2所示電樞電壓為Ua,電樞電流為la,電樞回路總電阻為Ra，電機常數為Ce,勵磁磁通量為①。那么根據KVL方程：電機轉速n二U-冒，其中極對C①E數為p,匝數為N,電樞支路數為a的電機來說：電機常數Ce=pN/60a，意味著電機確定后，該值是不變的。而在Ua-IaRa中，由于Ra僅為繞組電阻，導致IaRa非常少，所以Ua-IaRa=Ua,由此可見我們改變電樞電壓時，轉速n即可隨之改變。將輸出信號的基本周期固定，通過調整基本周期內工作周期的大小來控制輸出功率稱為脈沖寬度調制。圖2直流電機原理圖(2)單片機的選擇本次設計采用AT89C52單片機，它是51系列單片機的一個型號，由ATMEL公司生產的。如圖3所示

(TO)PBQ匚(T1)PB1(TO)PBQ匚(T1)PB1匚(AINO)PB2匚(AIN1JPB3匚㈣PB4匚(WOSI]PB5匚(MISO)PB6匚(SCK)PB7匚RESET匚{RXD)PDO匚(TXD)PD1E(INTO)PD2匚(1NT1)PO3匚PD4匚(OG1A)PQ5匚(WR)PD6匚(RD)PD7匚XTAL2匚XTAL1匚GND匚VCCPAD(AD<1)PA1(AD1)PA2(AD2)PA3(AD3)二1PA4(AD4)二IPA5(AD5)PAE(ADG)PA7(AD7)ICFALEOC1BPC7(A15)PCS(A14)PCS(A13)二1PG4(AlZ]PC3(A11)PC2(A10)PC1(A9}PCQ(A6)圖3AT89C52引腳圖AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含8kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，但不可以在線編程（S系列的才支持在線編程）。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。主要功能特性：?兼容MCS51指令系統(tǒng)?8k可反復擦寫（＞1000次）FlashROM32個雙向I/O口?256x8bit內部RAM3個16位可編程定時/計數器中斷?時鐘頻率0-24MHZ2個串行中斷?可編程UART串行通道2個外部中斷源?共6個中斷源2個讀寫中斷口線?3級加密位?低功耗空閑和掉電模式?軟件設置睡眠和喚醒功能(3)直流電機驅動芯片L298N根據要求，本設計的核心部分就是對小型直流電動機進行可逆的PWM調速控制。要實現以上的功能，應用比較廣泛的是由四個開關管構成的H型橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。我們可以根據需要對四個開關管進行控制，使其能實現可逆調速的功能。使全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態(tài)，VI、V4為一組，V2、V3為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關斷。當VI、V4導通時，V2、V3關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當V2、V3導通時，VI、V4關斷電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。這種方法稱為雙極性PWM控制方式，如圖4所示。應用時要注意避免上下臂橋之間同時導通，因為上下臂橋之間同時導通會引起短路。應用H型橋式驅動電路可以很好的實現設計任務所要求的功能。但是為了簡化電路，我們決定使用集成有橋式電路的電機專用芯片L298N。圖4LH橋型PWM降壓斬波器原理圖L298是SGS公司的產品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路?？梢苑奖愕尿寗觾蓚€直流電機，或一個兩相步進電機。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.5?7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍V|H為+2.5?46V。輸出電流可達2.5A,可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號丄298可驅動2個電動機,0UT1,0UT2和0UT3,0UT4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅動一臺電動機。5,7,10，

12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。EnA,EnB接控制使能端，控制電機的停轉。表1是L298N功能邏輯圖。JAI 功睦模塊■E*幻？ m2 璧贊-it態(tài)In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時，輸入電平對

電機控制起作用，當EnA為高電平，輸入電平為一髙一低，電機正或反轉。同為I Si I低電平電機停止，同為高電平電機剎停。丄298N引腳如圖5和圖6所示CU^RLINTSENDING□gT^LJl-1OUT^LJT:!INPUT4LS^BLEUl\PUT3LOGIC TAGEVBSCNDl\PUF2LS^BLEAl\PUFJ5UPPLVVtfAfiEVs0U1^Ul2gT^LJT1CU^HiZMTSENSINGA

頰1此崗掏用奉與Jfe之伺直蜜屯3U檢椚電田，軸駆馭55耶川另邛巧n錯姑M遙社機蠱*1芯片.呵缺賓溟程遍返竝彩跡電杭*23此坪疑是余壞戲毎諭富，捕輸品社南矗堆阪駆4~v?電嗨勿屯灘擬人砌.此畔肴迥局姜速用厲.鏈鎖3卅1EA楣攬班里樹琨平佶號』雨董耗制金富式程謝3S1口1A的可與謹■:AEMADLIiA禎極挖耕輒箱人爵TE.刪即罕情號；牛站挫制J1LNAUl.EB全橋或馳訓菇a與由的Tfi哦岔；惟股罟時全橋武馳就務撇止工作“鐮it軸｝毎工13^4)梵輸覽"営AKO按辭'芯片琨身站曲撫片與E出栢世*9'g'逹勒捽前加付岔曲贏九乳103城人馬理'ITL亜軻電平悄好.用式輕渤段■12[Nin囲牌塩1314<JHT3訕'4圖6L298引腳功能(4)鍵盤輸入模塊由于本系統(tǒng)設定實現的功能有啟/停、加減速、正反轉及調速功能，需要設置16個開關按鈕作為鍵盤控制信號輸入。因此選擇矩陣式非編碼鍵盤。鍵盤電路如下圖所示，這是4X4行列矩陣式非編碼鍵盤，先采用全掃描，再進行行掃描來達到鍵盤鍵號識別。首先判別鍵盤中有無鍵按下，由單片機I/O口向行線輸出0把全部行線置為低電平，然后將列線的電平讀出。如果有鍵按下，就會有一根列線電平被拉至低電平，從而使列輸入不全為1。然后逐行掃描，即分別將每一行置0其余行置1,再讀取列電平，判別該行是否有鍵按下，若有則相應列被拉到低電平，則該行和此列相交的位置上有鍵按下。若沒有任一條列線為低電平，則說明該行上無鍵按下。如此循環(huán)掃描就能實現鍵盤的功能。

?I卜番? ??」卜爵? ??IrO?* o? o—圖7鍵盤電路(5)模數轉換模塊模數轉換模塊采用ADC0832芯片，ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分辨率、雙通道A/D轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經有很高的普及率。引腳圖如圖7所示：CS—18一他％F)CH0—27—CLKCH1—36—DOGND—45—Dt圖8ADC0832引腳圖ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32“S，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立

的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。 通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。正常情況下 ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯在一根數據線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用， CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第 2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數據用于選擇通道功能。電源本系統(tǒng)單片機需用5V電源進行供電，L298N驅動芯片需用12V電源進行供電。從安全性和可靠性的角度出發(fā)，本次設計采用了市面上較為常見的電源。2.2系統(tǒng)各部分電路的實現(1)晶振電路51單片機的時鐘電路通常用兩種電路形式得到：內部振蕩方式和外部振蕩方式。內部振蕩方式所得的時鐘情況比較穩(wěn)定，實用電路中使用比較多，故本次設計采用內部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器就構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后就構成了自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。其電路圖如下:122pl;MC.L；-XI'AI*1122pl;JV111MtIJ-X]nAL.2圖9晶振電路原理圖圖中，電容器C10和C11起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電容值一

般在5-30PF。晶振的典型值為12MHZ。單片機以晶體振蕩器的振蕩周期為最小時序單位，片內的各種微操作都以此周期為時序基準。振蕩頻率二分頻后形成狀態(tài)周期或稱S周期，所以，一個狀態(tài)周期包含有2個振蕩周期。振蕩頻率fosc12分頻后形成機器周期MC。一個機器周期包含有6個狀態(tài)周期或12個振蕩周期。1個到4個機器周期確定一條指令的執(zhí)行時間，這個時間就是指令周期。51單片機指令系統(tǒng)中，各條指令的執(zhí)行時間都在1個到4個機器周期之間。4中時序單位中，振蕩周期和機器周期是單片機內計算其它時間值（如波特率、定時器的定時時間等）的基本時序單位。在實際的電路設計中應注意，晶振的兩條引出線不能相距過近，否則振蕩幅度大大減少導致發(fā)光管不亮。另外，晶振電路一定要和單片機靠近，線路盡量短，否則將導致晶振工作不穩(wěn)定。（2）復位電路MCS-51系列單片機的復位引腳RST出現兩個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。本次設計采用的是上電或開關復位。當電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。其電路圖如圖10所示。上電后。由于電容C的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵后松開也能使RST維持一段時間的高電平，從而實現上電或開關復位的操作。RST/VpdRST/VpdVSE-=S^圖10復位電路3）模數轉換電路該電路模塊利用電位器調節(jié)，將產生的模擬量通過模數轉換器轉換成數字量，再將數字量輸入到單片機的P2口對單片機進行控制，進而實現對直流電機轉速的控制。電路模塊圖如下：圖11模數轉換電路(4)電機驅動電路電機驅動部分由L298N芯片及其外圍電路構成，如圖12所示。由圖12我們可以看出，L298N及其外圍電路比較簡單。當口輸入1時，5、7口為10,電機正轉，當口輸入0時，5、7口為01，電機反轉。Vss=12V，Vs=5V。L298N的6端為芯片的選通端，通過從輸入一個方波信號，控制電機的轉動，電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,因此電機的速度與方波的占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快，我們通過鍵盤輸入可以改變延時程序的值從而改變方波占空比，達到調速目的。另外,為使L298N驅動芯片正常工作，還要在其與直流電機之間加入四對續(xù)流二極管用以將電機中反向電動勢產生的電流分流到地或電源正極，以免反向電動勢對L29