《基于直流电机的小车运动控制设计-毕业论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于直流电机的小车运动控制设计-毕业论文（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于直流电机的小车运动控制设计目录摘要3前言4第1章 系统概述5第2章 直流电机工作原理6第2.1节 直流电机的结构6第2.2节 直流电机的分类6第2.3节 直流电动机的工作原理7第2.4节 直流电机的可逆运行原理7第3章 脉冲宽度调制控制技术9第3.1节 脉冲宽度调制基本原理9第3.2节 脉冲宽度调制具体过程10第3.3节 脉冲宽度调制的优点10第3.4节 脉冲宽度调制控制方法11第3.5节 脉冲宽度调制相关应用领域11第4章 硬件设计12第4.1节 供电电源模块12第4.2节 控制器模块12第4.3节 电机驱动模块15第4.4节 测速模块17第4.5节 显示模块17第5章 软件设计19第5
2、.1节 主程序设计19第5.2节 直流电机驱动算法19第5.3节 测速算法21第5.4节 数码管显示算法21总结23参考文献24致谢25附录26摘要本文主要介绍了基于直流电机的小车运动控制设计。该车以玩具小车为车体,直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部分,AT89S51单片机为整个系统的控制核心,采用ST188反射式光电传感器来检测小车的运行速度,并通过一个4位一体的数码管显示出来,使用驱动芯片74HC245来驱动数码管的显示；整个系统使用5V的直流电源供电,直流电机驱动采用PWM控制技术,可以灵活方便地对车速进行控制。关键词：直流电机,单片机,小车Abstract : In this pa
3、per, the car based DC motor motion control design , the toy car as the car body , DC motor and control circuit for the driving part of the whole system , AT89S51 microcontroller core for the control of the entire system , using ST188 reflective photoelectric sensor to detect the cars speed , and thr
4、ough a 4-in-one digital display up , use the driver IC 74HC245 to control the digital tube display . the system uses the 5V DC voltage power supply,DC motor-driven use PWM control technology, the flexibility to easily control the speed .Key words: DC motor , MCU , car前言随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展,数码相机、DV
5、D、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。各种智能化小车在市场玩具中也占一个很大的比例。根据美国玩具协会的调查统计,近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP增幅大致相当。而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大改变：传统玩具的市场比重正在逐步缩水,高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上,已经成为玩家行业发展的主流。因此,遥控加智能的技术研究、应用都是非常有意义而且有很高市场价值的。智能作为现代的新发明,是以后的发展方向,他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作,不需要人为的管理,可应用于科学勘探等等的用途。智能电动车就是其中的一个体现。智能电动车是由一个电动玩具车改
6、造而成,更换了电动玩具车的电机和驱动电路,增加了电控系统。电控系统的主要任务是使智能电动车按既定控制方法行驶。智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用,随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展,智能控制必将迎来它的发展新时代。计算机控制与电子技术融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。第1章 系统概述控制器模块电源模块电机驱动模块测速模块显示模块运行电机整个系统基于玩具小车的机械结构,小车控制系统总体结构如图11所示。以AT89S51 单片机为控制核心,
7、主要由电源模块、控制器模块、直流电机驱动模块、测速模块和显示模块组成。首先,由电源模块产生5V的直流电压,供单片机、电机驱动芯片、数码管驱动芯片和测速模块使用,单片机输出相应的控制信号给驱动芯片驱动电机转动,从而控制整个小车的运动,直流电机的驱动电路采用PWM电路,精确调整电动机转速。测速模块通过光电编码盘来检测小车的速度,将检测得到的脉冲信号送入单片机的 T0 口进行计数, 同时完成脉冲数计算,通过定时计数器来计时间,算出实时速度,并通过一个四位一体数码管显示出来,从而验证PWM控制技术对小车速度的控制；使用驱动芯片74HC245来控制数码管的显示。单片机外部资源分配：P0.0P0.2 控制
8、电机的使能和方向,P1.0P1.7和P3.0、P3.1、P3.3、P3.5用于数码管的控制位,P3.2、P3.4 用于测速模块的输入。电路原理图见附录1。图1.1 小车控制系统总体结构图第2章 直流电机工作原理输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。 直流电机在当今生活的各方面应用越来越广泛,直流电机的调速控制是电机应用的一个重要技术保障。直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点,因此在许多行业中仍有应用。第2.1节 直流电
9、机的结构直流电机的结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。第2.2节 直流电机的分类按结果主要分为直流电动机和直流发电机；按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机。直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同,直流电机可分为下列几种类型。(1)、 他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联
10、接关系,而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机,永磁直流电机也可看作他励直流电机。(2)、 并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联,作为并励发电机来说,是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说,励磁绕组与电枢共用同一电源,从性能上讲与他励直流电动机相同。(3)、 串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后,再接于直流电源,这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。(4)、 复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组,若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反,则称为差复励。不同励磁方式的直流电机有
11、着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式,直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和和复励式。第2.3节 直流电动机的工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩,电枢就能按逆时针方向旋转起来。图2.1 直流电动机的原理模型图2.2 直流电动机原理模型如图2.1和2.2所示,当电枢转了180后,导体 cd转到 N极下,导体ab转到S极下时,由于直流电源供给的电流方向不变,仍从电
12、刷 A流入,经导体cd 、ab 后,从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左,导体ab 受力方向是从左向右,产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此,电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由导体 ab和cd 流入,使线圈边只要处于N 极下,其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向,而在S 极下时,总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向,从而形成一种方向不变的转矩,使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。第2.4节 直流电机的可逆运行原理一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论
13、中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时,电枢绕组上感生出电动势,经电刷、换向器装置整流为直流后,引向外部负载或电网,对外供电,此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源,经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组,则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用,产生转矩,驱动转子与连接于其上的机械负载工作,此时电机作直流电动机运行。第3章 脉冲宽度调制控制技术脉冲宽度调制,是英文Pulse Width Modulation的缩写,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模
14、拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。第3.1节 脉冲宽度调制基本原理随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM
15、、SPWM法、线电压控制PWM等,而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法,它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 模拟信号的值可以连续变化,其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件,因为它的输出电压并不精确地等于9V,而是随时间发生变化,并可取任何实数值。与此类似,从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内,例如在0V, 5V这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制,如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中,音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时,电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少,从而改变了驱动扬声器的电流值,使音量相应变大或变小。与收音机一样,模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单,但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是,模拟电路容易随时间漂移,因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重和昂贵。模拟电路还有可能严重发热,
