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1、基于AT89S52单片机直流电机PWM控制系统1 绪论1.1直流电机的发展直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而以往直流电动机的控制只是简单的控制，很难进行调速，不能实现智能化。如今，直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持，单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会步入了自动化时代，单片机应用技术与其他学科领域交叉融合，促进了学科发展和专业更新，引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的飞速发展，改变了世界，也改变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，计算机性
2、能的不断提高，单片机的应用也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的要求调整转速。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。直流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽范围内平滑调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类：励磁控制阀与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小但低俗时受到磁场饱和的限制，高速时受到换向火花和转向器结构强度的限
3、制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展，创造了许多新的电枢电压控制方法。其中脉宽调制（Pulse Width Modulation,PWM）是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制马达的速度，在脉宽调速系统中当电机通电时，其速度增加，电机断电时其速度降低。只要按照一定的规律改变通断电的时间，就可使电机的速度保持在一稳定值上。1.2单片机以及微处理器控制系统的发展单片微型计算机的诞生是计算机发展史上
4、的一个新的里程碑。近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结
5、构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大
6、规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和
7、各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，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，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节2。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现
8、，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。2 系统论述21设计背景近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，
9、这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。22 设计思路直流电机PWM控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由AT89S52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，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过AT89S52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
10、带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制。设计控制部分：主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。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。设计显示部分： LED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。23 系统框架设计直流电机PWM调速方案方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89S52单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转和急停控制；
11、同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比送到LED数码管完成实时显示。3 PWM脉宽调制原理31 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等7。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图1所示：图1 PWM信号的占空比设电机始终接
12、通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。3. 2 PWM调速方法基于单片机类由软件来实现PWM：在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变
13、电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。3.3 PWM实现方式方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式
14、产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。故采用方案一。 4系统硬件设计4.1系统基本组成4.1.1 硬件模块组成（1）单片机控制模块（2）L298电机驱动模块（3）LED显示模块（4）独立键盘控制模块3.3系统硬件各模块电路4.1.2 单片机整个控制模块单片机整个控制模块 这里利用定时计数器让单片机P2口的P2.6、P2.7引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动芯片L298放大后控制直流电机。驱动芯片的输入电压是两引脚的电压差，在调速时一根引脚线为低电平，另一个引脚产生调速方波，这样两个引脚的电压差就可通
15、过控制其中一个引脚来控制。当需要改变电机转动方向时，两个引脚的输出相反。 定时计数器若干时间（1us）中断一次，就使P2.6或P2.7产生一个高电平或低电平。直流电机的速度分成100个等级，因此一个周期就有100个脉冲，周期为一百个脉冲的时间，速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。精确的讲，平均速度与占空比并不是严
16、格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似看成线性关系。42 AT89S52的简介42.1 AT89S52主要性能AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz33
