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1、-课程设计报告题 目：PWM直流电动机调速控制系统学生*： 丁传朋 学生*： 1214040205 系 别： 电气信息工程学院 专 业： 电子信息科学与技术专业 届 别： 2016届 指导教师： 朱士永 电气信息工程学院制2014年6月. z-PWM直流电动机调速控制系统学生：丁传朋 指导教师：朱士永 电气信息工程学院电子信息科学与技术 摘 要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，能在宽广的*围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采
2、用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据速度的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进展计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反响控制。关键词：直流电机调速；H桥驱动电路；LED显示器；51单片机目 录摘 要1第1章 引 言31.1 概况31.2 国内外开展现状3 1.3 要求41.4 设计目的和意义5第2章 方案论证和选择62.1 电机调速控制模块62.2 PWM调速工作方式62.3 PWM调脉宽方式62
3、.4 PWM软件实现方式6第3章 系统硬件电路设计73.1信号输入电路83.2电机PWM驱动模块的电路8第4章 系统的软件设计94.1 单片机选择94.2系统软件设计分析9第5章 单片机系统综合调试135.1 PROTEUS设计与仿真平台135.2 PROTEUS设计与单片机传统开发过程比较145.3 仿真结果与分析14完毕语15致 谢16参考文献17附录18第1章 引 言1.1 概况现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进展自动控制。随着近代电力电子技术和计算机技
4、术的开展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以到达高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成局部。另外，低本钱自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低本钱自动化系统的重要组成局部。在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和开展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样构造简单、价格廉价、制造方便、容易维
5、护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的*围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、 机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。随着电力电子技术的开展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高
6、，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速*围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术开展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向开展成为趋势。1.2 国内外开展现状电力电子技术、功率半导体器件的开展对电机控制技术的开展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛开展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的
7、电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT和MCT等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路构造，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运*围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulat
8、ion-简称PWM)调速系统产生于70年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路 技术的开展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速开展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度开展着。随着市场的开展，客
9、户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统平安操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速开展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3 要求一、设计任务基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。二、设计要求1在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。2使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。3设计一个4个按键的键盘。K1:“启动/
10、停顿。K2：“正转/反转。K3：“加速。K4:“减速。4手动控制。在键盘上设置两个按键-直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。5*测量并在LED显示器上显示电动机转速rpm.6实现数字PID调速功能。三、设计提示：1参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。3编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速；4参考Protuse仿真效果图：1.4 设计目的和意义本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极
11、式电路为功率放大电路的构造。PWM调制局部是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以到达调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和准确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以AT89C51单片机为核心，以键盘作为输入到达控制直流电机的启停、速度和方向，完成了根本要求和发挥局部的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进展控制，通过对占空比的计算到达准确调速的目的。本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制PWM控制原理和H桥电路根本原理设计了驱动电路的总体构造，根据模型，利用PROTEUS
12、软件对各个子电路及整体电路进展了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。第2章 方案论证和选择选择电动机参数：额定电压：6V额定转速：6000rpm减速比：1：46.7空载转速：128rpm10ms/转2.1 电机调速控制模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而到达调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进展控制，通过开关的切换对电动机的速度进展调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢
13、、机械构造易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由三极管组成的H型PWM电路。用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，准确调整电动机转速。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。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速*围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.2 PWM调速工作方式由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采
14、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。方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其准确，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。第3章 系统硬件电路设计硬件电路设计框图如以下图所示，硬件电路构造初步设想由以下4局部组成：时钟电路、复位电路、单片机、驱动电路。驱动电路局部采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路构造。控制局部采用汇编语言编程控制，AT89C51芯片的定时器产生PWM脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。根据硬件系统电路设计框图，对各局部模块的原理进展分析，编写个子模块程序，最终将其组合。复位电路单片机时钟电路输入电路驱动电路图3.1硬件系统电路设计框图3.1信号输入电路独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路构
