電信0801班--羅占偉--大四課設(shè)

1、 目 錄一、課題意義-2二、方案比較-3三、方案設(shè)計-4 1、控制方法及分析-42、電機轉(zhuǎn)速控制元件選用及分析-83、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖-11 4、直流電機和單片機連接原理圖-11四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計-111、系統(tǒng)流程圖-12 2、流程圖說明-12五、結(jié)論-13六、參考文獻-13七、附錄1：（系統(tǒng)原理圖）八、附錄2：（系統(tǒng)程序）一、課題意義：電機是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，在國民經(jīng)濟中起著重要作用，無論是在工農(nóng)生產(chǎn)、交通運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機，如汽車、電視機、電風扇、空調(diào)甚至兒童玩具等領(lǐng)域也離不開電機。同時，在越來越多的應(yīng)用場合，只能

2、旋轉(zhuǎn)的電機己無法滿足要求，而是要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或反轉(zhuǎn)以及準確停止等功能。必須尋找新的電機控制器來適應(yīng)時代的發(fā)展。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運算電路等，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，從而致使系統(tǒng)的運行特性也隨之變化，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。直流電機因具有良好的線性調(diào)速特性、效率高、控制簡單、調(diào)速性能好及體積小等優(yōu)點得到了廣泛使用。常規(guī)電機調(diào)速控制方法中，電機工作不穩(wěn)定,損耗較大,尤其在低電壓輕負荷時情況更為嚴重，且工作頻率受電源

3、頻率的限制, 難以滿足高精度的調(diào)速要求，不利于廣泛推廣。如何才能使電路具有成本低、控制精度高、調(diào)試修改參數(shù)方便，且能方便和靈活地適用于大功率、可靠性高的直流電機控制系統(tǒng)中,是我們研究的目的。二、方案比較：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對直流電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。

4、方案三：采用集成芯片L298N ，L298N是SGS(通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司)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)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。其有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，使用它和PWM技術(shù)可控制驅(qū)動電流大小以達到電機速度的調(diào)整。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設(shè)計采用方案三。三、方案設(shè)計：1、控制方法及分析：直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制

5、，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻r即可改變端電壓，達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低?，F(xiàn)在一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術(shù)來實現(xiàn)電機速度調(diào)整。該技術(shù)穩(wěn)定性好，易控制，精度高。（1） PWM定義脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量，通信，功率控制與變換等許多領(lǐng)域。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏

6、置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶 體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)

7、需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。（2）調(diào)速原理PWM是通過固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過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)驅(qū)動裝置”。如圖所示，在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電機的平均速度得到控制。設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比

8、為D=t1/T，則電機的平均速度為Vd=Vmax*D.式中，Vd-電機的平均速度；Vmax-電機全通電時的速度（最大）；D=t1/T-占空比。由公式可見，當我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調(diào)速的目的。嚴格的講，平均速度Vd與占空比D并不是嚴格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。 單片機AT89S52是具有兩個定時器T0和T1。通過控制定時器初值T0和T1，從而可以實現(xiàn)從89s52的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于PWM信號軟件實現(xiàn)的核心是單片機內(nèi)部的定時器，而不同的單片機的定時器具有不同的特點，即使是同一臺單片機由于選用的晶振

9、不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系也不同。因此，首先明確定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系。如果單片機的時鐘頻率為f，定時器/計數(shù)器為N位，則定時器初值與定時時間的關(guān)系為：式中，Tw-定時器定時初值；N-一個機器周期的時鐘熟。 N隨著機型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時初值Tw，從而改變占空比D，進而達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。 注： 占空比是高電平所占周期時間與整個周期時間的比值。（3）L298N工作原理：L298N是具有15個引腳的單列直插式2位同時驅(qū)動芯片。其引腳功能分別為：1、8、15腳為GND引腳，2、3

10、腳為輸出引腳， 9腳為VSS引腳，4腳為VS引腳，5、7腳為輸入引腳，6腳為選通1通道引腳。其余引腳為通道2所需要引腳，在此沒有用到通道2，故其余引腳全部懸空。當6腳數(shù)據(jù)輸入量為1時，1通道正常工作，當5、7腳輸入為1、0時，2、3腳輸出的電平使電動機正轉(zhuǎn)，并且可以按照單片機所賦給6腳的置1、置0的占空比的不同而使電動機的轉(zhuǎn)速得以改變。當5、7腳輸入為0、1時，2、3腳輸出的電平使電動機反轉(zhuǎn)，并且同理可以按照單片機所復(fù)給6腳的置1、置0的占空比的不同而使電動機的轉(zhuǎn)速得以改變。所以本系統(tǒng)使用L298N用來控制直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。它的使能端ENA接到單片機的P1.5管腳。使能端是高電平有效。輸入

11、控制端IN1、IN2接到單片機的P1.6、P1.7管腳。輸出端OUT1、OUT2接到電機的兩端，分別給IN1、IN2不同的高低電平就可以控制電機的正傳反轉(zhuǎn)。如圖所示：注：保護電路由二極管組成，由于電動機是呈電感性很強的，所以在開機或著關(guān)機時，會產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓而燒壞芯片，在此，為了保護驅(qū)動芯片，接了幾個二極管，從而大大的減小了由于感應(yīng)電壓帶給驅(qū)動芯片的危害。2、電機轉(zhuǎn)速及方向控制元件選用及分析：（1） 單片機單片機選用AT89S52，其與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、 1000次擦寫周期、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 、 三級加密程序存儲器 、 32個可

12、編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器 八個中斷源 、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標識符 。功能特性描述 ：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52

13、具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52。（2）電機驅(qū)動芯片L298是SGS(通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司)公司的產(chǎn)

14、品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，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)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。且其有控制精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。其能很好滿足電路設(shè)計要求。如圖為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；其基本工作原理為：IN1、IN2配合可以控制電機的轉(zhuǎn)向，ENA為使能端當設(shè)定好電機轉(zhuǎn)向后，對ENA進行高頻PWM調(diào)制輸入，在電樞電感濾波的作用下，電機就可以得到低于電源電壓的實際工作電壓。當ENA=1時，電機端電壓U=Vs，當ENA=0時，電機通過主開關(guān)管的反并聯(lián)二極管（圖中未示出）虛

15、流，實際相當于電機反轉(zhuǎn)在電源兩端，電機端電壓U=Vs，因此，可以推出，當ENA的占空比為D時，電機實際獲得的端電壓值為：U=（2D-1）*Vs。（而實際上由于電機是消耗電能，因此D<0.5時是不能工作的） 即DC/DC降壓電路的傳函為：Us=Vs*（2F(S)-1）。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：4、直流電機和單片機連接原理圖：原理圖見附錄1.四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計：1、本系統(tǒng)編程部分工作采用C語言完成，以下為系統(tǒng)流程圖：系統(tǒng)程序見附錄2.2、流程圖說明：開始后，正向勻加速過程為調(diào)制PWM占空比，使其以10%/s增加，持續(xù)5s；正向勻速過程為以PWM占空比為50%時的速度持續(xù)5s；正向勻減速過程為再次調(diào)

16、制PMW占空比，使其以10%減小，持續(xù)5s；反向勻加速過程為繼續(xù)調(diào)制PWM占空比以10%/s增加，同時使其反向；反向勻速過程為調(diào)制占空比以50%時的速度持續(xù)5s；反向勻減速過程為調(diào)制PMW占空比，使其以10%減小，持續(xù)5s；整個過程往復(fù)循環(huán)。五、結(jié)論：利用AT89S52單片機產(chǎn)生的PWM 信號，實現(xiàn)了對電機速度的控制，提高了系統(tǒng)的控制精度,保證了電機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性；電機的啟動、停止、速度都由程序定義,調(diào)試時只需修改PWM信號占空比即可實現(xiàn)速度控制，改變輸出口電平即可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)，無須改變系統(tǒng)硬件電路,即可實現(xiàn)各種控制，能有效縮短開發(fā)周期,提高效率；結(jié)合了受限倍頻單極性可逆PWM電機驅(qū)動電路，增

17、強了系統(tǒng)的驅(qū)動能力，提高了系統(tǒng)的可靠性和性價比。電路設(shè)計簡單，電機控制方便，有利于廣泛推廣。六、參考文獻：1 、王建華 ，計算機控制技術(shù) ，高等教育出版社，20092 、林爵天，微機控制PWM直流電機調(diào)速 ，上海電機技術(shù)高等?？茖W校學報 ，20013 、李瑋、趙江、劉建業(yè)，一種使用的單片機控制的數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng) ，吉林化工學院學報 ，20024 、張大明 ，單片機微機控制應(yīng)用技術(shù) ，機械工業(yè)出版社 ，20075、 郭天祥，51單片機C語言教程，電子工業(yè)出版社，20106、王兆安、劉進軍，電力電子技術(shù)，機械工業(yè)出版社，2010附錄1：（原理圖）附錄2：（系統(tǒng)程序）附錄2：（系統(tǒng)程序）/* =直流電

18、機的PWM速度控制程序= */ /* 晶振采用11.0592M,產(chǎn)生的PWM的頻率約為91Hz */ #include<reg51.h> #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit en1=P21; /* L298的Enable A */ sbit s1=P23; /* L298的Input 1 */ sbit s2=P24; /* L298的Input 2 */ uchar t=0; /* 中斷計數(shù)器 */ uchar m1=0; /* 電機速度值 */ uch

19、ar tmp1; /* 電機當前速度值 */ /* 電機控制函數(shù) index-電機號; speed-電機速度(-100100) */ void motor(uchar index, char speed) if(speed>=-100 && speed<=100) if(index=1) /* 電機的處理 */ m1=abs(speed); /* 取速度的絕對值 */ if(speed<0) /* 速度值為負則反轉(zhuǎn) */ s1=0; s2=1; else /* 不為負數(shù)則正轉(zhuǎn) */ s1=1; s2=0; void delay(uint j) /* 簡易延時函數(shù) */ for(j;j>0;j-); void main() cha