《综合电子设计课程设计报告直流电机调速控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《综合电子设计课程设计报告直流电机调速控制系统设计（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课程设计报告 课程名称 _综合电子设计_ 题目 _直流电机调速控制系统设计 指导教师 _陈福斌_ 设计起止日_2011-4-184-27_学 院 _自动化_专 业 _自动化_ 学生姓名 _班级/学号 _成 绩 _摘要 本系统由CPLD，单片机控制模块，键盘，LED，幅度控制模块，低通滤波模块组成，采用当前主流DDS技术完成，能产生从1HZ-260KHZ正弦波，方波，三角波以及这三种同频率波的线性组合，失真度限制在6%之内。 在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所
2、以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交流电机直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、
3、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名自动化专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。目录摘要1目录11、总体设计21.1芯片介绍21.2 设计目的51.3设计任务与要求51.4设计原理：52.PWM设计方案6（一）方案一：PWM波调速物理结构6（二）PWM 调压调速原理：7（三）PWM软件设计：73. H桥驱动电路设计方案
4、103.1 H桥驱动电路原理103.2 H桥驱动硬件电路114电机正转反转及调速的设计124.1电机软件设计流程图124.2电机软件设计12加速控制17减速控制19停机控制20 PID控制设计205.设计总结226.参考文献23附录231、总体设计1.1芯片介绍C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，C8051F020的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要12个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善，有多个时钟源，且时钟源可编程，时钟
5、频率范围为025 MHz，当CIP-5l工作在最大系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度可以达到25 MIs，C8051F020已进入了8位高速单片机行列。 IO端口的配置方式：C8051F020拥有8个8位的IO端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个IO端口除可作为一般的通用IO端口外，还可作为其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2(各位名称及格式如表1所示)选择并控制的，它们控制优先权译码选择开关电路如图1所示，可将片内的计数器定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口IO引脚出现
6、，这样用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用IO口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为11111111B，即默认为数字输入方式。而80C51单片机的IO引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活。C8051F020通过优先权交叉开关译码器(如图2所示)控制数字开关网路，端口引脚的分配顺序是从P0.0开始一直到P3.7。当交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外设的对应使能位被设置为逻辑“1”时，交叉开关将端口引脚分配给外设，例如，如果UARTOEN位(
7、XBR0.2)被设置为逻辑“1”，则TX0和RX0引脚将分别被分配到P0.0和P0.1。因为UART0有最高优先权，所以当UARTOEN位被设置为逻辑“1”时其引脚将总是被分配到P0.0和P0.1。未被设置的交叉开关分配端口可作为通用IO口。注意：当选择了串行通信外设(即SMBus、SPI或UART)时，交叉开关将为所有相关功能分配引脚。例如，不能为UART0功能只分配TX0引脚而不分配RX0引脚。交叉开关寄存器被正确配置后，通过将XBARE(XBR2.6)设置为逻辑“1”来使能交叉开关。 内部功能：C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC，其中ADC有两个，一个是8路12位逐次
8、逼近型ADC，可编程转换速率，最大为100 kSs可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大，提高AD的转换精度。可编程增益为：0.5、1、2、4、8或16，复位时默认值为1。另一个是8路8位ADC，可编程转换速率最大为500 kSs，其可编程放大增益为0.5、1、2、4，复位时默认值为0.5。有2个12位的DAC，用于将12位的数字量转换为电压量，可产生连续变化的波形，两路信号可同步输出。 外部接口:C8051F020外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信，SMBus兼容于I2C串行扩展总线；SPI串行扩展接口；两个增强型UART
9、串口。C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能，片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。1.2 设计目的了解电机的基本控制原理，主要利用C8051F020开发板、电机控制板，实现对直流电机的开环、闭环调速控制。通过设计需要理解直流电机的基本控制原理，掌握处理器C8051F020芯片的定时器多通道PWM输出功能、频率信号捕获功能，多通道ADC采集功能等应用技术。应用外设掌握人机交互技术，设计友好的人机交互界面。 1.3设计任务与要求 1：产生两路pwm波形。 2： 实现电机正反转，并且通过按键实现加速减速。 3：实现简单闭环控制，PID调节。实现LCD显示转速等
10、参数。1.4设计原理：（ 1）系统框图 本系统主要包括中央控制模块、H 桥驱动电路、光电测速模块、人机交互控制模块、电枢电流采集模块、电源管理模块。系统组成如图 1.4.1 所示。(1)微处理器模块：实现信号处理与协调控制。2)H桥驱动电路：实现电机正反转的切换操作。(3)光电测速模块：对直流电机的转速进行采集。(4)电枢电流采集模块：对电枢电流进行采样。(5)人机交互控制模块：包括键盘和液晶显示。键盘显示用来完成系统参数设置以及动作方式指示等。2.PWM设计方案（一）方案一：PWM波调速物理结构采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图11）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，
11、精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。图1 PWM波调速电路其结构图如图12所示：单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（PID运算控制器、PWM模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键 盘显示器图2 电机调速系统框图（二）PWM 调压调速原理：直流电动机转速n的表
12、达式为：其中，U 为电枢端电压；I 为电枢电流；R 为电枢电路总电阻；F为每极磁通量；K 为电动机结构参数。所以直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。图1.4.8 是利用开关管对直流电动机进PWM调速控制的原理图和输入输出
13、电压波形。图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图中所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值Uo为 式中a为占空比，a=t1/T。占空比a表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。a的变化范围为0a1。由此式可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值Uo取决于占 空比a的大小，改变a值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。（三）PWM软件设计：/*功能:实现用PCA在P0.0输出8位双路PWM信号,可用示波器观察占空比变化*/#include /*SFR定义*/#include /-/ Function PROTOTYPES/-void PORT_Init (void);void PCA_Init (void);void PCA_ISR (void);/-/ MAIN Routine/-
