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1、直流电机的调速与系统控制课程设计报告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
2、可以调整电机的转速，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。设计输入部分由带中断的独立式按键来实现；设计控制部分主要由 80C51 单片机的外部中断拓展电路组成；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
3、速，还可以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
4、机驱动模块组成。 1.3、实现功能开发板使用的是 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
5、机的速度控制采用增量式 PID 算法来调速。二、总体设计与分析系统组成：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
6、传统 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 810 专用复位电路，2 路PWM，8 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
7、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 Ua-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
8、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
9、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，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
10、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。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
11、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
12、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。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/256Vin 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
13、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） 。1、PCA16 位计数器工作模式寄存器 CMOD。CMOD 用于选择 PCA16 位计数器的技术脉冲源与计数中断管理，具体格式如下：CMOD：address B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 D9HCIDL -
14、- -CPS2 CPS1 CPS0 ECF CIDL：空闲模式下是否停止 PCA 计数的控制位。 （CIDL） 0 时，空闲模式下 PCA 计数器继续计数；（CIDL） 1 时，空闲模式下 PCA 计数器停止计数。CPS2，CPS1，CPS0 是 PCA 计数器计数脉冲源的选择，当选择 0 0 0时 PCA 计数器的技术脉冲源：系统时钟/12，当选择 0 0 1 时 PCA 计数器的技术脉冲源：系统时钟/2。我选择的是 0 0 0 即 CMOD 0x00;设置 PCA 模块在空闲模式下停止 PCA 计数器工作; 计数时钟源 f_osc/12; 禁止溢出中断。 2、 PCA16 位计数器控制寄存
15、器 CCON。CCON 用于控制 PCA16 位计数器的运行计数脉冲源与记录 PCA/PWM 模块的中断请求标志，格式如下：CCON：address B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 D8HCF CR - - -CCF2 CCF1 CCF0 CF:PCA 计数器满溢出标志位。当 PCA 计数器计数溢出时，CF 由硬件置位。如果 CMOD 的 CF 为 1，则 CF 为计数器计满溢出中断标志，会向 CPU 发出中断请求。CF 位可通过硬件或软件置位，但只能通过软件清零。CR：PCA 计数器的运行控制位。 （CR 1）时，启动 PCA 计数器计数；（CR 0）时，停止 PCA 计数器
16、计数。当我们选择 CCON 0x00;表示停止 PCA 计数器计数。3、PCA 比较/捕获寄存器 CCAPM0 和 CCAPM1PCA 模块比较/捕获寄存器 CCAPMn（n 0，1） 。指的是 2 个特殊功能寄存器，分别对应相应的模块，CCAPMn 的格式如下：CCAPMn： address B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 DAH/DBH/DCH - ECOMnCAPPn CAPNn MATn TOGn PWMn ECCFn ECOMn：比较器功能允许控制位。 （ECOMn） 1，表示允许比较器功能。CAPPn：正捕获控制位。 （CAPPn） 1，允许上升沿捕获。CAPNn：正捕获控制位。 （CAPNn） 1，允许下降沿捕获。PWMn：脉宽调制模式控制位。当（PWMn） 1 时，PCA 模块工作于脉宽调制输出模式，PCAn 引
