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1、乐山师范学院毕业论文(设计) 本科生毕业论文（设计）系（院）物理与电子工程学院 专 业 电子信息工程论文题目 用单片机控制直流电机 学生姓名 指导教师 班 级 学 号 完成日期： 2010年11月单片机控制直流电机设计物理与电子工程学院 电子信息工程 摘要 本设计以STC89C52单片机为控制核心，运用L298N作为电机驱动芯片，根据PWM控制原理对直流电机进行控制，采用光电对射编码器进行速度检测。具有控制灵活、驱动力强、电机转速检测准备等优点。关键词 直流电机 STC89C52单片机 L298 速度控制1 绪论1.1 引言当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控
2、制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用 ，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制:为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动
3、机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 随着微控制器尤其是脉宽调制 PWM 专门控制芯片的飞速发展, 其对电机控制方面的应用起了很重要的作用, 为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。本文对基于PIC单片机的直流电机 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭
4、环直流 PWM调速系统的数学模型。用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以驱动芯片与一些外围电路。通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。1.2 直流电机调速系统的发展 直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的
5、可控直流电源有以下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机电动机调速系统
6、的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶
7、闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。 随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核
8、心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。1.3 直流电机基本调速方法 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉；但缺点是效率低，机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的范围，较小的转速变化率和调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大，占地多，效率低
9、及维修困难。近年来，随着电力电子的迅速发展，有晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统以取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度，动态性能，可靠性有了更大的提高。电力电子技术中的IGBT等大功率器件的发展取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1）式-电枢供电电压（V） -电枢电流（A） -励磁磁通（) R -电枢回路总电阻（） -电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式1可以看出，式中三个参量都可以成为变量，只要改变其中
10、一个参量，就可以改变电动机转速，所以直流电动机有三种调速方法：（1）改变电枢回路总电阻（2）改变电枢供电电压（3）改变励磁磁通。（4）采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法本设计采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 其方法就是相当于直流电电压降低，功率及转速降低。脉宽调制（PWM）是调整脉冲的宽度而不是频率。“脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间短了，是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比)来控制电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称PWM。即供电电压是宽度可调的脉冲电压，当脉冲最宽时，相当于直流电，功率最大
11、，转速最高。脉冲宽度减脉冲频率并没有变。脉宽调制并不是直接调整电机的速度，而是改变电机的功率或扭矩。扭矩大了，换向加快，转速就提高了。调速原理如图1所示。通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压。改变占空比的方法有3种：(1)定宽调频法，保持t1不变，只改变t2 ，这样周期（即频率）也改变；(2)调宽调频法，保持t2不变，而改变t1，这样也使周期（即频率）改变； (3)定频调宽法，这种方法是使周期（即频率）不变，而同时改变t1和t2。由于前二种方法是改变周期（或频率），当控制频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电
12、机断电时，转速逐渐减小。只有按一定规律，改变通电时间，即可实现对转速的控制。如图1-1。图1-11.4 PWM调速方案的优越性自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：1） 主电路线路简单，需用的功率器件少。2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 3） 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达
13、1:20000左右。4） 若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5） 功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。6） 直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。 由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完全取代了V-M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。2 系统方案设计2.1 系统总体方案根据1.3节系统功能要求和技术指标，系统总体方案设计如图2-1所示。图2-1直流电机多速控制器系统结构图
14、 系统以STC89C52单片机为控制核心，通过键盘设置各段运行参数，也可通过电脑设置下载到单片机。单片机输出二进制控制量，经D/A转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值输入端。放大器根据输入的模拟电压而输出对应的电压来控制直流电机的转速。直流电机同轴的光电编码器E输出A、B两路方波信号送到整形电路，通过整形电路送到单片机用于测量转速。不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调节放大器的输出电压。显示部分显示各段设定的时间值、转速值和测量的转速值;单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。2.3 系统器件选型2.3.1光电数字编码器选型光电编码器，是一种通过光电转换
15、将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。如图2-2。图2-2光电编码器原理2.3.2 L298N驱动芯片 L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机，也可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发
