直流电机的调速与系统控制讲义

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1、 直流电机的控制 电子工艺课程设计报告 姓名 卢星星 专业 汽车电子 班级 T9836 学号 20090830616 课题 直流电机调速与系统控制一、 系统绪论 1.1、设计思路 1.2、基本原理 1.3、实现功能二、 总体设计与分析2.1、功能模块实现分析2.2、A/D模块2.3、PCA模块 2.4、控制模块三、 硬件设计3.1、原理图设计3.2、PCB图3.3、电路原理图的分析四、 软件设计4.1、设计流程图4.2、实现程序五、 课程设计总结六、 问题回答七、 参考文献一、系统绪论 1.1、设计思路 直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调

2、整电机的转速，还可以方便读出电机转速的大小，能很方便实现电机的智能控制。本次课程设计可以实现直流电机的加速、减速和电机速度的调整使之能达到智能控制。1) 设计输入部分由带中断的独立式按键来实现；2) 设计控制部分主要由80C51单片机的外部中断拓展电路组成；3) 设计显示部分由LED数码管显示；LED数码显示部分由七段数码显示管组成； 4) 直流电机PWM控制部分由一些二极管、电机驱动模块组成。1.2、基本原理 主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以

3、方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过80C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。 1.3、实现功能开发板使用

4、的是STC12C520系列1T 8051， STC12C5A60S2单片机，本次课程设计须实现电机的基本控制功能，设计的电机控制设计将实现的功能如下： 1、 按键设计部分要起到可以调节速度，如加速（K1）、减速（K2），按键K5起到硬件重启作用。 2、 利用AD转化让可调定位器把模拟电量转化成数字量，从而起到控制直流的转速，同时定位器也可以直接控制电机的转速。 3、 LED显示设计部分，显示的是测量到的直流电机转速。 4、 串行口通信可以将当前电机运行情况反馈到上位机，并且可以通过上位机窗口设定速度给电机，可以进行双向通信。 5、 直流电机的速度控制采用增量式PID算法来调速。 二、总体设计与

5、分析系统组成：直流电机PWM调速方案：直流电机PWM调速系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，由命令输入模块、显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式按键作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，以控制电机的转速，同时单片机不停的将从电机所反馈的数据送到显示模块去显示，从中读取其速度。选择STC12C5A60S2作为本系统的控制芯, STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8

6、路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。根据系统设计的任务和要求，设计系统方框图如图所示。图中控制器模块为系统的核心部件，键盘和显示器用来实现人机交互功能，其中通过键盘将需要设置的参数和状态输入到单片机中，并且通过控制器显示到显示器上。在运行过程中控制器产生PWM脉冲送到电机驱动电路中，经过放大后控制直流电机转速，同时利用速度检测模块将当前转速反馈到控制器中，控制器经过数字PID运算后改变PWM脉冲的占空比，实现电机转速实时控制的目的。2.1 直流电机调速原理图2.1所示电枢电压为Ua，电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca，励磁磁通量是。根据KVL方程：电机转速n=(U

7、a-IaRa)/Ca,其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Ua-IaRa约等于Ua。由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。图2.1直流电机原理图功能模块实现分析 首先控制电机转速需要用到PCA模块的PWM，测量转速也需要PCA模块，滑动变阻器控制转速的需要单片机的A/D模块的控制，串行口通信实现双向通信就需要串行口的控制寄存器设置等，因此从每个模块入手再将每个模块联系在一起，这就是本次课程设计思想。以下分别是各个模块详细的设置过程：直流电

8、动机转速控制系统的工作原理直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制规律：Y=KPe(t)+KI 式中：Y-比例调节器输出，KP-比例系数，KI -积分系数e(t)-调节器的输入，一般为偏差值。系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中

9、，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。PWM基本原理脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 具体过程脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字

10、的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。A/D转化模块1、A/D转换原理A/D转换的过程是模拟信号依次通过取样、保持和量化、编码几个过程后转换为数字格式。a)取样与保持一般取样与保持过程是同时完成的，取样-保持电路的原理图如图16所示，由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和电子开关S组成，要求AV1*AV2=1。原理是：当开关S闭合时，电路处于

11、取样阶段，电容器充电，由于AV1*AV2=1，所以输出等于输入；当开关S断开时，由于A2输入阻抗较大而且开关理想，可认为C 取样-保持电路取样-保持以均匀间隔对模拟信号进行抽样，并且在每个抽样运算后在足够的时间内保持抽样值恒定，以保证输出值可以被A/D转换器精确转换。b)量化与编码量化的方法，一般有舍尾取整法和四舍五入法，过程是先取顶量化单位，量化单位取值越小，量化误差的绝对值就越小，具体过程在这里就不做介绍了。将量化后的结果用二进制码表示叫做编码。 H没有放电回路，输出电压保持不变。 1.、P1口模拟输入通道功能控制寄存器P1ASFP1ASF的8个控制位与P1口的8个口线是一一对应的，即P1

12、ASF.7P1ASF.0对应控制P1.7P1.0，为“1”对应P1口口线为ADC的输入通道；为“0”，其他I/O口功能。设置P1ASF=0x01；设置P1.0为ADC的输入通道 。 2、ADC控制寄存器ADC_CONTR ADC控制寄存器ADC_CONTR主要用于选择ADC装换输入通道、设置转化速度以及ADC的启动、记录转换结束标志等。ADC_CONTR的格式如下：ADC_CONTR：addressB7B6B5B4B3B2B1B0BCHADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS0 ADC_POWER：ADC电源控制位。（ADC_POWER

13、=0），关闭ADC电源；（ADC_POWER）=1，打开ADC电源。ADC_CONTR=0x80；表示打开A/D装换电源，设置输入通道。启动A/D转换前一定要确认ADC电源已打开，初次打开ADC电源时需要适当延迟，等待ADC电路稳定后再启动A/D转换。ADC_CONTR=0x88；表示启动A/D转换。进入空闲模式前将ADC电源关闭。启动A/D转换后，在A/D转换结束之前，不改变任何I/O口的状态，有利于提高A/D转换的精度。ADC_START：A/D转换启动控制位，（ADC_START）=1，开始转换；（ADC_START）=0，不转换。CHS2，CHS1，CHS0：模拟输入通道选择控制位。0

14、 0 0对应ADC输入通道ADC0（P1.0），0 0 1对应ADC输入通道ADC0（P1.1），0 1 0对应ADC输入通道ADC0（P1.2）， 1 1 1 对应ADC输入通道ADC0（P1.7）。3、A/D装换的结果寄存器格式如下：当（ADRJ）=0时，10位A/D装换结果的高8位存放在ADC_RES寄存器中，低2位存放在ADC_RES寄存器低2位中。当（ADRJ）=1时，10位A/D装换结果的高2位存放在ADC_RES寄存器低2位中，低8位存放在ADC_RESL寄存器中。取8位结果Vin=（ADC_RES7:0）2 *Vcc/256 Vin为模拟输入电压，Vcc为ADC单片机实际工作电压。2.3、PCA模块 PCA模块含有一个特殊的16位定时器，有2个16位的捕获/比较模块与之相连，每个模块可编程工作在以下4种模式：上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出、可调制脉冲输出。STC12C5A60S2系列：模块0连接到P1.3/CCP0（可以切换到P4.2/CCP0/MISO口）；模块1连接到P1.4/CCP1（可以切换到P4.3/CCP1/SCLK口）。