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1、数字式直流电机调速控制系统设计摘 要在高度现代化的今天，现代电力电子技术，计算机技术，现代控制理论的发展，促进了直流调速技术的进步，使之成为目前活跃的调速技术。长期以来，直流电动机因为其具有调节转速灵活、方法简单、控制性能好等特点，应用在越来越多的领域中。本设计是以单片机 STC12C5A60S2 和 L298 控制的直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。主要介绍了用单片机软件实现 PWM 调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图和 Keil-C51 程序。硬件电路实现了对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及电机速度的实时显示。以单片机为控制核心的直流电机调速系统，采用了数字化的速度给
2、定与测速，扩大了调速范围，提高了速度控制精度。由于许多功能都是由软件来完成的，所以使硬件得以简化，故障率比较小。单片机以数字信号来工作，其控制手段方便灵活，抗干扰能力强。关键词:单片机、脉宽调制、直流电机、LCD 显示 目 录第一章 概述11.1 课题的背景11.2 数字式调速国内外研究状况11.3 课题的实际意义11.4 课题内容2第二掌 系统方案设计42.1 驱动电路的论证与选择 32.2 液晶显示模块的选择 42.3 按键电路的选择52.4 处理器的选择52.4.1 单片机的特点 52.4.2 单片机的选择 62.5 测速方案的选择 62.6 系统总体设计方案 7第三章 硬件设计 8 3
3、.1 单片机最小系统83.1.1 STC12C5A60S2 介绍83.3.2 单片机最小系统 103.2 电源电路11 3.3 显示电路 .123.4 按键电路 .133.5 过流保护电路 .143.6 速度检测电路 .153.7 电机驱动电路 .16第四章 软件设计174.1 系统总体程序框图 .174.2 按键子程序结构 .174.3 转速采集子程序 .19第 5 章 系统调试 205.1 硬件调试 .205.1.1 电源模块调试 .205.1.2 单片机最小系统调试 .215.1.3 继电器的测试 .215.2 软件调试 .215.2.1 单片机控制模块软件调试 .215.2.2 电机驱
4、动模块调试 .215.3 脱机运行调试 .225.3.1 按键调试 .225.3.2 电机调试 .22参考文献 25致 谢 260第一章 概述 1.1 课题的背景直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很
5、快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2 数字式调速国内外研究状况所谓的数字式调速系统就是指由数字芯片作为核心控制器的调速系统，出现于 20 世纪 70 年代，随着大规模及超大规模集成电路的制造工艺的迅速发展，数字控制芯片的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用高速的处理器来控制电机，完全各种新颖的、高性能的控制策略，使电机性能得到充分发挥，使电机的应用领域更宽，更符合实际使用要求，另外现在出现的
6、各种便于控制的新型电机，也对调速提出了更高的要求。比较简单的电机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有缺点，直流电机调速性能好，单带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，单在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便经济的
7、调节。目前，广泛应用于数控机床等自动控制的数控位置伺服系统。为了提高性能，在先进的伺服系统中，已采用高速数字信号处理器（DIGITAL SIGNAL PROCESSOR,简称 DSP） ，其指令执行速度达到每秒数百兆以上，非常适合用于数字滤波的构建和快速傅里叶变换等通用的数字信号处理运算。11.3 课题的实际意义随着微电子技术,微处理机以及计算机软件的发展,使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机,借助软件来实现。即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展,最后实现全数字化。 在数字化系统中,除具有常规的调速功能外,还具有故障报警,诊断及显示等功能,同时,数字系统通常具有较强的通信能力,通过选
8、配适当的通信接口模板,可方便地实现主站(如上一级 PLC 或计算机系统)和从站(单机交,直流传动控制装置)间的数字通信,组成分级多机的自动化系统。为易于调试,数字系统的软件,一般设计有调节器参数的自化优化,通过启动优化程序,实现自动寻优和确定系统的动态参数,以及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等,有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用,新开发的调速系统几乎全是数字式的。与模拟系统类似, 全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点,技术更先进,操作方便。数字调
9、速系统与模拟调速系统相对比,技术性能有如下优点:(1) 静态精度高且能长期保持； (2) 动态性能好,借助于丰富的软件,易于实现各类自适应和复合控制；(3) 调速范围宽；(4) 电压波动小；(5) 参数实现软件化,无漂移影响；(6) 所用元件数量少,不易失效；(7) 设定值量化程度高,且状态重复率好；(8) 放大器和级间耦合噪声很小,电磁干扰小；(9) 调试即投产灵活方便,易于设计和修改设计；(10) 标准及通用化程度高,除主 CPU 模块外,仅数种附加模块；可实现,包括工艺参数在内的多元闭环控制；(11) 适用范围广,可实现各类变速控制及易于实现与单片机或 PLC 系统通信。由此,数字化将在
10、未来的调速设备中得到大量应用。数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。1.4 课题内容设计一个基于单片机的数字式直流电机调速控制系统，用单片机技术以及相应的仿真平台进行开发，制作并完成该系统。设计的主要要求如下：1) 能形成闭环的控制系统22) 能通过按键设置要求转速3) 能显示和设定当前电机的转速4) 能够实现电机的正反转5) 控制精度达到：+-1 转/秒6) 系统中要有过流保护3第二章 系统方案设计2.1 驱动电路的论证与选择（一）方案一：选择桥式可逆 PWM 变换器作为电机驱动电路。可逆 PWM
11、变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H 形）电路。如图 2.1 所示。 这时，电动机 M 两端的电压 U 的极性随开关器件驱动电压的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里使用的是双极式控制的可逆 PWM 变换器。H 形桥式电机驱动电路包括四个三极管和一个电机。要使电机运行，就必须同时导通对角线上的两个三极管。根据不同三级管对的导通情况，电机的转动方向不一样。如图 2.5 所示。图 2.1H 形桥式电路例如，当三极管 Q1 与 Q3 同时导通时，电流从电源正极通过 Q1 和 Q3 回到电源的负极。这样，电机将会顺时针转动，如图 2.2 所示。当三极管 Q2 与
12、Q4同时导通，电流从电源正极通过 Q4 和 Q2 回到电源的负极。这样，电机将会逆时针转动，如图 2.3 所示。图 2.2 电机顺时针转动 图 2.3 电机逆时针转动双桥式控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点 2：A. 电流一定连续。4B. 可使电动机在四象限运行。C. 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。D. 低速平稳性好，系统的调速范围可达 1:2000 左右。E. 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍旧较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4 个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。即使使用单极控制方式，使部分器件处于常通或者常断状态，以减少开关次数和开关损耗以及提高可靠性，但是系统的静、动态性能也会受到降低。（二）方案二：选择 L298 芯片组成的电机驱动电路。L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚的 Multiwatt 封装的 L298N 内部含四通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机或者一个步进电机。L298N 是专用驱动集成电路，属于 H 桥集成电
