電氣工程及其自動化專業(yè)方向設(shè)計報告基于XS128的電機調(diào)速及控制電路板的制作

1、西南科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)方向設(shè)計報告設(shè)計名稱： 直流電機正反轉(zhuǎn)和加減調(diào)速控制電路板的制作 姓 名： 周炤賢 學(xué) 號: 20105255 班 級： 電氣1003 指導(dǎo)教師： 聶詩良 起止日期： 2013.10.15-2013.11.09 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制方 向 設(shè) 計 任 務(wù) 書 學(xué)生班級： 電氣1003 學(xué)生姓名： 周炤賢 學(xué)號： 20105255 設(shè)計名稱： 直流電機正反轉(zhuǎn)和加減調(diào)速控制電路板的制作 起止日期： 2013.10.15-2013.11.09 指導(dǎo)教師： 聶詩良 設(shè)計要求：要求采用單片機、lm298等器件設(shè)計制作一個可進行直流電機正反轉(zhuǎn)和加減調(diào)速控制的電路板，

2、電機實際轉(zhuǎn)速可在led或lcd上顯示。 方 向 設(shè) 計 學(xué) 生 日 志時間設(shè)計內(nèi)容10.20選型，初步確定設(shè)計過程中可能會用到的元器件，確定設(shè)計方案10.21-10.22搭建電路板10.22-10.23調(diào)試，通過lm298n實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)10.24調(diào)試，通過xs128單片機的pwm模塊實現(xiàn)電動機調(diào)速10.25-11.01調(diào)試，通過編碼器測速，并將速度顯示在lcd顯示屏上11.01-11.09完成報告 直流電機正反轉(zhuǎn)和加減調(diào)速控制的電路板制作摘要：隨著社會的發(fā)展與進步，電動機作為日常生產(chǎn)生活中必不可少的工具，在今天已經(jīng)變得非常重要，無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦

3、公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產(chǎn)品中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)有關(guān)資料顯示，當今社會人類生產(chǎn)生活中所用到的能源有接近百分之九十來源于電動機。在我國，目前有百分之六十的電能用于電動機。電動機與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時代，電動機的調(diào)速控制一般采用模擬法、pid控制等，對電動機的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，光耦、可編程控制器和開關(guān)元件來實現(xiàn)。還有一類控制叫復(fù)雜控制，是指對電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量進行控制。本電機控制系統(tǒng)基于xs128內(nèi)核的單片機設(shè)計，采用lm298直流電機

4、驅(qū)動器，利用pwm脈寬調(diào)制控制電機，并通過光耦管測速，經(jīng)單片機i/o口定時采樣，將電動機轉(zhuǎn)速反饋到單片機中。經(jīng)過設(shè)計和調(diào)試，本控制系統(tǒng)能實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速較小誤差的控制，系統(tǒng)具有上位機顯示轉(zhuǎn)速和控制電機開啟、停止和正反轉(zhuǎn)等功能。具有一定的實際應(yīng)用意義。關(guān)鍵詞:xs128，lm298，lm2940，直流電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。manufacture of dc motor reversing and add and subtract speed control circuit boardabstract:with the development and progress of society, motor

5、as an essential tool in daily life, have become very important in today, both in industrial and agricultural production, transportation, national defense, aerospace, medical and health, business and office equipment, or in daily life of household appliances and consumer electronics products, a large

6、 number of motor using a variety of.according to statistics, the use of today's society energy in human production and life have close to ninety percent from motor. in china, there are currently sixty percent of the energy used in motor. motor and people's life, are inseparable.the age of el

7、ectricity, motor speed control using simulation method, pid control, simple and the motor control application more. simple control refers to the motor starting, braking, reverse control and sequence control. this kind of control through a relay, optocoupler, programmable controller and switching ele

8、ments to achieve. there is a kind of control called complex control, refers to the motor speed, angle, torque, voltage, current, power and other physical quantity control.the motor control system design of mcu based on mc9s12xs12kernel, use lm298 dc motor driver, using the pwm pulse width modulation

9、 control motor, and through the coupler tube speed, the microcontroller i/o port timing sampling, the motor speed feedback to the mcu. after the design and debugging, the control system can realize the control of motor speed with less error, system has a display of speed and control the motor starti

10、ng, stopping and reversing function pc. has certain practical significance.keywords:xs128.lm298.lm2940.manufacture of dc motor reversing and add and subtract speed control.1、 設(shè)計目的和意義： 設(shè)計目的為實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)及加減調(diào)速，并測速，將速度顯示在lcd顯示屏上;通過設(shè)計，了解單片機的基本功能，及其實現(xiàn)方法，了解電動機控制原理，由于電動機在現(xiàn)實生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，該設(shè)計也具有一定的實用價值。2、 控制要求： 要求采用單片

11、機、lm298等器件設(shè)計制作一個可進行直流電機正反轉(zhuǎn)和加減調(diào)速控制的電路板，電機實際轉(zhuǎn)速可在led或lcd上顯示。3、 設(shè)計方案論證： 本系統(tǒng)利用mc9s12xs128單片機為控制核心，用上位機顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和測量轉(zhuǎn)速以及控制電機,采用lm298n驅(qū)動芯片作為本系統(tǒng)的驅(qū)動電路和用槽型ome-500-2ca編碼器作為該系統(tǒng)的測量電路，用于測量電機實際轉(zhuǎn)速。硬件方面包含直流穩(wěn)壓模塊，控制核心模塊，電機驅(qū)動模塊，pwm調(diào)速模塊，編碼器測速模塊，lcd顯示模塊共六個模塊。通過控制核心模塊與電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，通過控制核心的pwm模塊與電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)電機調(diào)速，通過編碼器測速，通過控制模塊與lc

12、d模塊顯示電機實際轉(zhuǎn)速。下圖為系統(tǒng)設(shè)計框圖:lm298n電機驅(qū)動模塊lcd顯示模塊xs128單片機 lm29405v穩(wěn)壓供電模塊編碼器測速模塊電動機 單片機選用了飛思卡爾mc9s12xs128作為主控制器，pwm 調(diào)制波有8個輸出通道，每一個輸出通道都可以獨立的進行輸出。每一個輸出通道都有一個精確的計數(shù)器（計算脈沖的個數(shù)），一個周期控制寄存器和兩個可供選擇的時鐘源。每一個pwm 輸出通道都能調(diào)制出占空比從0100% 變化的波形能非常方便的滿足本次電機控制的需求，其pwm端口用于輸出一定頻率且脈寬可調(diào)的pwm波用于控制電機轉(zhuǎn)速.系統(tǒng)的電機驅(qū)動單元選擇了lm298n大功率驅(qū)動芯片，再利用tlp52

13、1光耦合器和整流二極管設(shè)計的驅(qū)動電路能實現(xiàn)電器隔離與控制，能提高控制效率和精度極大減少了撓動干擾，而且可以實現(xiàn)電機的正反裝和剎車功能。 系統(tǒng)測速模塊基于ome-500-2ca設(shè)計，將電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成不同頻率的脈沖信號，上傳到單片機中，最后顯示在lcd顯示屏上3.1直流電機基本工作原理 直流電機的基本結(jié)夠圖3.2直流電機調(diào)速原理直流電機轉(zhuǎn)速n的表達式為: (1 - 1)式中:u-電樞端電壓；i-電樞電流；r-電樞電路總電阻；-每極磁通量；k-與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，因此直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種，主要以調(diào)壓調(diào)速為主。本控制器主要通過脈寬調(diào)制pwm來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。調(diào)脈寬的方式有三

14、種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本系統(tǒng)采用了定頻調(diào)脈寬方式的pwm控制，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生pwm脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。4、 系統(tǒng)設(shè)計 4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計 系統(tǒng)要求有5v電源輸入，因此我們選用了lm2940作為電源芯片。lm2940-5.0低壓差三端穩(wěn)壓芯片（國產(chǎn)）,輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓5v；輸出電流1a；輸出電流1a時，最小輸入輸出電壓差小于0.8v；最大輸入電壓26v；工作溫度-40+125；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路。 lm2940引腳圖lm2940-5.0在輸出電流為1a時dr

15、opout voltage典型值為0.5v，即輸入電壓要>輸出電壓+0.5v=5.5v；同樣輸出電流為100ma時dropout voltage典型值為110mv，輸入電壓大于5.1v即可，如圖所示 lm2940輸入輸出壓降參數(shù)表（此處輸入電源采用7.5v電池）4.2電機驅(qū)動模塊這里采用電機驅(qū)動專用芯片l298n，該芯片可驅(qū)動兩路536v的直流電機或者一路四拍的步進電機。同時在l298n與主控芯片間通過四路光耦tlp5214隔離消除干擾信號。在xs128上配置好串口、pwm，實現(xiàn)串口接收的數(shù)據(jù)直接賦值給pwm定時器ccap1l、ccap1h。利用串口調(diào)試助手發(fā)送控制信息給xs128，同時

16、輔助外界5v電源更改l298n的in1和in2共同完成l298n電機驅(qū)動模塊的調(diào)試。采用l298n，通過單片機的i/o輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，輸入引腳與輸出引腳的邏輯關(guān)系圖為 l298n是sgs公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個h橋的高電壓大電流雙全橋驅(qū)動器，接收標準ttl邏輯電平信號，可驅(qū)動46、2a以下的電機，其引腳排列如下圖所示out1、out2和out3、out4之間分別接兩個電動機.in1、in2、in3、in4引腳從單片機接輸入電平，控制電機正反轉(zhuǎn)，ena,enb接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。l

17、298n邏輯功能表如下 由于這次只驅(qū)動一臺電動機，故只用到out1、out2引腳。4.3 mc9s12xs12pwm調(diào)速模塊p wm脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。下式是占空比計算公式： d=t1/t式中t1表示一個周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通的時間，t表示一個周期的時間。 占空比d表示了在一個周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值，變化范圍為0d1。由上式可知，當電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值為 dmaxv=v*d，因此改變 占空比d就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是pwm調(diào)速原理。 在pwm調(diào)速時，占空比是一

18、個重要參數(shù)?？梢酝ㄟ^以下三種方式改變占空比： （1）定寬調(diào)頻法:保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，改變，從而改變周期（或頻率）。 （3）定頻調(diào)寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變。 前2種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此應(yīng)用較少。目前，在直流電動機的控制中，主要使用第3種方法。定頻調(diào)寬法是利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，因此，pwm又被稱為“開關(guān)

19、驅(qū)動裝置”。 如下圖所示 電樞電壓占空比和平均電壓的關(guān)系圖xs 128的周期計算方法左對齊方式：輸出周期 = 通道周期 × pwmperx中心對齊方式： 輸出周期 = 通道周期 × pwmperx × 2 脈寬計算方法左對齊方式：占空比 = (pwmperx - pwmdtyx) / pwmperx × 100%中心對齊方式：占空比 = pwmdtyx / pwmperx × 100%其中，pwmperx是pwm通道周期寄存器，pwmdtyx是pwm通道占空比寄存器。4.4編碼器測速模塊 電機測速采用me-500-2ca編碼器，該編碼器是旋轉(zhuǎn)編

20、碼器。旋轉(zhuǎn)編碼器是集光機電技術(shù)于一體的速度位移傳感器。當旋轉(zhuǎn)編碼器軸帶動光柵盤旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)發(fā)光元件發(fā)出的光被光柵盤狹縫切割成斷續(xù)光線，并被接收元件接收產(chǎn)生初始信號。該信號經(jīng)后繼電路處理后，輸出脈沖或代碼信號。其特點是體積小，重量輕，品種多，功能全，頻響高，分辨能力高，力矩小，耗能低，性能穩(wěn)定，可靠使用壽命長等特點。1、 信號序列 一般編碼器輸出信號除a、b兩相（a、b兩通道的信號序列相位差為90度）外，每轉(zhuǎn)一圈還輸出一個零位脈沖z。當主軸以順時針方向旋轉(zhuǎn)時，按下圖輸出脈沖，a通道信號位于b通道之前；當主軸逆時針旋轉(zhuǎn)時，a通道信號則位于b通道之后。從而由此判斷主軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。正弦輸出編碼器輸出

21、的差分信號如下圖所示：2、 零位信號 編碼器每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)一個脈沖，稱之為零位脈沖或標識脈沖，零位脈沖用于決定零位置或標識位置。要準確測量零位脈沖，不論旋轉(zhuǎn)方向，零位脈沖均被作為兩個通道的高位組合輸出。由于通道之間的相位差的存在，零位脈沖僅為脈沖長度的一半。將編碼器產(chǎn)生的初始信號通單片機處理后顯示在lcd顯示屏上，即電機的實際轉(zhuǎn)速。5、 設(shè)計結(jié)果及分析結(jié)束語 課程設(shè)計是培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對我們實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。本次的課程設(shè)計是基于運用所學(xué)單片機技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、電機驅(qū)動技術(shù)等方面的知識，設(shè)計電機調(diào)速與控制系統(tǒng)，很好

22、的結(jié)合了當今工業(yè)直流電機方面的實際應(yīng)用，相對于前一次的課程設(shè)計，這次的題目綜合性更高、設(shè)計難度更大、實用性更強，是對我們所學(xué)專業(yè)知識如單片機原理及接口技術(shù)、傳感器與檢測、c語言程序設(shè)計、直流電機驅(qū)動原理等課程知識的綜合檢驗與應(yīng)用，很好的鍛煉了我們從單一模塊到系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試能力的轉(zhuǎn)變與提高，同時也讓增強了我們直流電機控制原理與應(yīng)用有了更深的認識和體會?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，我們都付出了很多努力，也收獲了很多，在此次設(shè)計中不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計也使我懂得了理論與實際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠遠不

23、夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能做出實際的有用的東西，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在這次設(shè)計的過程中我們也遇到了很多困難，尤其是我要考研，時間特別緊迫，還有就是這次在電機的測速模塊和lcd顯示的設(shè)計上都遇到了很大的問題，通過這次課程設(shè)計，我更發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，而且缺少自主分析問題的能力，碰到問題后有一種和逃避依賴心理。也讓我明白做電子類設(shè)計每一步都要細心嚴謹，不能馬虎。參考文獻（遞增引用，引用相關(guān)內(nèi)容）1李朝青編單片機原理及接口技術(shù)(簡明修訂版)北京航空航天大學(xué)出版社，19982. 譚浩

24、強 c語言程序設(shè)計. 北京：清華大學(xué)出版社，2002。3. 后閑哲也編 單片機c程序設(shè)計與實踐叢書 北京航空航天大學(xué)出版社 2008。附錄（程序、電路圖等）#include "includes.h"#define lcdrs porta_pa2 #define lcden porta_pa4int z=0,f=0,up=0,down=0;int up_count=0;char speed=0;uchar num;void pwm_init(void) pwme = 0x00; /通道不能對外輸出波形 pwmctl_con01 = 1; /通道級聯(lián) pwmctl_con23

25、= 1; pwmprclk = 0x00; /時鐘源a、b預(yù)分頻 clock a = clock b = e = 48mhz pwmcae_cae1=0; /對齊方式設(shè)置 通道輸出波形為左對齊方 pwmcae_cae3=0; pwmclk_pclk1 = 0; /-sa時鐘 0、1、4、5選擇a/sa 0選a 1選sa pwmclk_pclk3 = 0; /-sb時鐘 2、3、6、7選擇b/sb 0選b 1選sb pwmpol_ppol1 = 1; /pwm首先輸出高電平 pwmpol_ppol3 = 1; pwmper01 = 4800; /設(shè)定周期 pwm 頻率 = 48m/4800 =

26、10k pwmper23 = 4800; / 10khz pwmdty01 = 0; pwmdty23 = 0; pwme = 0xaa; void pit_init(void) pitcflmt_pite = 0; /關(guān)閉pit pitce_pce0 = 1; /定時器通道0開 pitmtld0 = 48-1; /8位定時器初值設(shè)定。48分頻，在48mhzbusclock下，為1mhz,即1us pitld0 = 1000-1 ; /16位定時器初值設(shè)定。pittime*0.001ms,定時1000 * 0.001ms = 1ms pitmux_pmux0 = 0; /0：相應(yīng)16位定時器與

27、微時基0連接 pitinte_pinte0 = 1; /開通pit0定時器的溢出中斷 pitcflmt_pite = 1; /pit模式 打開使能位 void pll_init(void) disableinterrupts; /禁止總中斷 clksel &= 0x7f; / clock selection pllsel=0 system clocks are derived from oscclk (f(bus)=f(osc)/2) pllctl &= 0xbf; / controls the ipll functionality pllon=0 ipll is turned

28、 off synr = 0xc0 | 0x05; refdv = 0x80 | 0x01; /pllclk=2*16*(synr+1)/(refdv+1)=96m pllctl |= 0x40; /pllon=1 ipll is turned on while(crgflg&0x08)=0x00); / provides status bits and flags 判斷l(xiāng)ock=1?時鐘穩(wěn)定與否 clksel |= (1<<7); /pllsel=1 choice pllclk is system clocksvoid delay1(int x) int i; while(

29、x-) for(i=0;i<110;i+); void keyscan(void) if(ptit_ptit6=0) delay1(100);if(ptit_ptit6=0) up_count+; while(!ptit_ptit6); else if(ptit_ptit7=0) delay1(100);if(ptit_ptit7=0) up_count-; while(!ptit_ptit7); up_count=(up_count>10)?10:up_count; up_count=(up_count<-3)?-3:up_count;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;portb=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar d