直流電機調(diào)速系統(tǒng)項目設(shè)計方案

1、直流電機調(diào)速系統(tǒng)項目 設(shè)計方案亠 、/.0 前言電動機作為最主要的機電能量轉(zhuǎn)換裝置， 其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域和 人們的日常生活。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，商務和 辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產(chǎn)品 （如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中, 都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在 所有動力資源中，百分之九十以上來 自電動機。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動機的。 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， 對電動機的簡單控制 應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動， 制動，正反轉(zhuǎn)控制和

2、順序控制。 然而近年 來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步， 以及市場對產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高， 直流電動機的 應用更加廣泛， 尤其是在智能機器人中的應用。 直流電動機的起動和調(diào)速性能、 過載能力 強等特點顯得十分重要， 為了能夠適應發(fā)展的要求， 單閉環(huán)直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)得 到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心單片機， 正朝著多功能、多選擇、高速 度、低功耗、低價格、大存儲容量和強 I/O 功能等方向發(fā)展。 隨著計算機檔次的不斷提高， 功能的不斷完善， 單片機已越來越廣泛地應用在各種領(lǐng)域的控制、 自動化、智能化等方面， 特別是在直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)中。 這是因為單片機具有很多優(yōu)點：

3、體積小，功能全， 抗干擾能力強，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強，造價低等。所以選用單片 機作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可行性。1總體方案設(shè)計1.1系統(tǒng)方案針對本課題的設(shè)計任務，進行分析得到：本次課程設(shè)計以AT89C52單片機為核心，以5個彈跳按鈕作為輸入端，達到控制直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速。在設(shè)計 中，采用PWM技術(shù)對電機進行控制。1.2系統(tǒng)構(gòu)成該直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，在總體上大致可分為以下5個部分組成：輸入模塊，AT89C52單片機，電源模塊，驅(qū)動模塊，直流電機。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)原理框圖1.3電路工作原理根據(jù)勵磁方式不同，直流電機分為自

4、勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。對于直流電機來說，認為機械特性方程式為：2n=UN/(Ke© N)-(R ad+R)/(K eKt © N)T=n- n(公式 1-1 )式中UN，© n 額定電樞電壓、額定磁通量；Ks ， K-與電機有關(guān)的常數(shù)；Rd，R-電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；n， n理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。分析 公式1-1可得，當分別改變 U、© n和Rd時，可以得到不同的轉(zhuǎn)速n,從而 實現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于© =T，當改變勵磁電流If時，可以改變磁通量©的大小，從而 達到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁

5、線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流If和磁通量©只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻陽時，會使機械特性變軟，導致電機帶負載能力減弱。PWM是通過控制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。PWM可以應用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力 控制等。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”。在

6、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、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。當我們改變占空比時，可以 得到不同的電機平均速度，從而達到調(diào)速的目的。1.4 方案選擇 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)智能實現(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)起來很困難。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時間慢、 機械結(jié)構(gòu)容易損

7、壞、 壽命較短、可靠性不高。方案三：采用驅(qū)動芯片L298驅(qū)動直流電機，L298具有驅(qū)動能力強，外圍電路簡單等 優(yōu)點。綜合各方面的因素，采用了方案三。2 硬件電路設(shè)計2.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計鍵盤向單片機數(shù)日相應控制指令， 由單片機通過 P3.0 與 P3.1 其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相 應的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大，驅(qū)動電動機來控制電路， 實現(xiàn)電動機 轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。2.2 單片機 AT89C52采用AT89C52是MSC-51系列單片機的升級版，由世界著名半導體公司 ATMEI在購買 MSC-51設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進行改進和擴展，同時使用新的半導體

8、生產(chǎn)工藝， 最終得到成型產(chǎn)品。 與此同時， 世界上其他的著名公司也 通過基本的51內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進行改進生產(chǎn)，推廣了一批如51F020等高性能單 片機。AT89C52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運行空間，8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64k外 部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求， 時鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi) 資源有 4組 I/O 控制端口、 3個定時器、 8個中斷、軟件設(shè)置低耗能模式、看門狗和斷電 保護?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線， 僅僅幾

9、塊錢的價格讓該型號單片機暢銷 10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提 供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插 PID-40的封裝。2.3復位電路和時鐘電路復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊，復位電路通常分為兩 種：上電復位和手動復位。有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復位,所以本次設(shè)計選用手動復位。2.4直流電機驅(qū)動電路設(shè)計由于單片機P3 口輸出的電壓最高才有5V,難以直接驅(qū)動直流電機。所以我們需要使 用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298來驅(qū)動電機。L298可接受標準TTL邏輯電平信號，可接4.57

10、V電壓。4腳接電源電壓，電壓范圍+2.546V。輸出電流可達2.5A，可驅(qū)動電感 性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感 信號。L298可驅(qū)動2個電動機，0UT1,0UT2口 0UT3,0UT之間可分別接電動機。本設(shè)計我 們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。同時需 要加四個二極管在電機的兩端，防止電機反轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生強大的沖擊電流燒壞電機。具體驅(qū)動電路如下：I1C1A5IH1 VCCVSIN2OJT1IN3iNtCUT2ENSOUT3OUT*GMD11率1U /1U2ZS D4 進D31NUTI1圖2驅(qū)動電路2.5鍵

11、盤電路設(shè)計正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速五個開關(guān)分別與單片機的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4相連，然后再與地相連。正轉(zhuǎn)實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)實現(xiàn)直流電機的反轉(zhuǎn)，停止實現(xiàn) 直流電機的停轉(zhuǎn)，加速實現(xiàn)直流電機的加速，減速實現(xiàn)直流電機的減速，具體鍵盤電路如 下：圖3鍵盤電路ALEEAP1XVT2 P1.1/T2E P15PI JP1.iP15P1J&P1.7軟件設(shè)計3.1應用軟件的編制和調(diào)試使用Keil軟件編程時，項目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項目的流程較為相似。(1) 創(chuàng)建一個項目，從器件庫中選擇目標器件，配置工具設(shè)置；(2) 用C語言或會變語言創(chuàng)建源程序；(3) 用項目管理器

12、生成應用；(4) 修改源程序中的錯誤；(5) 測試，連接應用。3.2程序總體設(shè)計利用P3 口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動直流電機，改變輸出脈沖的電平 的持續(xù)時間，達到使電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1 管腳產(chǎn)生PWM!號，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用延時法 進行設(shè)計。單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。按動正轉(zhuǎn)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/P3.1輸出高低電平時的有效值，進而控制電機的加減速。其主程序流程如圖2所示：3.3仿真圖形按下“正轉(zhuǎn)”按鈕

13、，直流電機運行效果如圖所示:圖5 電機正轉(zhuǎn)按下“加速”按鈕，直流電機正向加速，運行效果如圖所示:圖6電機正轉(zhuǎn)加速按下“減速”按鈕，直流電機正向減速，運行效果如圖所示:圖7電機正轉(zhuǎn)減速按下“停止”按鈕，直流電機停止運轉(zhuǎn)，運行效果如圖所示:圖8電機停轉(zhuǎn)按下“反轉(zhuǎn)”按鈕，直流電機開始反轉(zhuǎn)，運行效果如圖所示:圖9電機反轉(zhuǎn)4調(diào)試分析在調(diào)試時，由于子程序有很多，有時沒法將每一個子模塊都運行到，自然也無法及時 發(fā)現(xiàn)其中的疏漏。為了解決這個問題，更好地查找錯誤，我解決的方法是將各個模塊分別 進行調(diào)試。例如在調(diào)試某一模塊時，先將其他模塊用“ / ”暫時屏蔽掉，直到各個子模塊 都健康運行后，再整體調(diào)試，這樣我們更

14、加容易找出錯誤，增加效率。軟件調(diào)試需要不斷的在單片機上執(zhí)行看輸出的結(jié)果，如果每次都在硬件上操作比較麻煩，因此我使用了“Proteus ”仿真軟件，將我們的電路硬件搭建出來，在這個平臺上調(diào)試軟件，并且達到 了比較好的效果。5結(jié)論及進一步設(shè)想根據(jù)實驗結(jié)果，本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、 停止能功能。但是由于我對數(shù)碼管等顯示模塊掌握度不夠，系統(tǒng)還不能顯示出電機轉(zhuǎn)速， 如果可以再多給我一些時間，我一定能設(shè)法用LCD或數(shù)碼管顯示出電機的轉(zhuǎn)速。參考文獻1 王鑒光.電動機控制系統(tǒng) .北京: 北京機械工業(yè)出版社 ,19942 劉小春,首桁. 無刷直流電動機的單片機控制 .自動化

15、技術(shù)與應用 ,20093 王小明.電動機的單片機控制 . 北京: 北京航空航天大學出版社 ,20024 張堔.直流無刷電動機原理及應用 .北京: 北京機械工業(yè)出版社 ,19965 孫涵芳 ,徐愛卿 .MCS-51/96 系列單片機原理及應用 .北京:北京航空航天大學出版 社,19776 何立民.單片機應用技術(shù)選編 . 北京: 北京航空航天大學出版社 ,20037 史國生.交直流調(diào)速系統(tǒng) .北京: 化學工業(yè)出版社 ,20028 楊興姚.電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng) .北京: 北京水利電力出版社 ,2003課設(shè)體會通過本次課程設(shè)計， 我從直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與搭建中深深的體會到軟件對于一 個系統(tǒng)來說是

16、多么重要。軟件可以說是一個系統(tǒng)的靈魂 , 在工作中指導硬件按照指定的方 案運行。對于剛學匯編不久的我來說 , 編制一個完整的系統(tǒng)軟件可謂無任何經(jīng)驗可言。在 設(shè)計過程中 , 我們主要學習體會了單個模塊的搭建與編程 ,例如鍵盤子程序 , 中斷子程序 等等。在這個系統(tǒng)搭建過程中 , 不但要將這些子模塊有機的結(jié)合在一起 , 還要讓它們較好的 協(xié)調(diào)起來 ,按照我們思路運行，可以說是比較困難的。由于我缺乏經(jīng)驗，所以經(jīng)常犯下許多低級錯誤。單片機編程是不能想當然的，我最容 易犯的錯誤就是不經(jīng)論證就去按照自己覺得可行的思路去進行， 往往導致系統(tǒng)不能正常工 作。例如我原來在編制顯示子程序時， 只記得將相應段碼與位

17、碼相對照， 卻忘記了實際硬 件是共陰極還是共陽極； 還有顯示間隔時間的問題， 我本以為長短無所謂， 但結(jié)果是如果 間隔大于10ms就會產(chǎn)生閃爍感，導致沒有靜態(tài)的效果，而間隔太短的話必須在顯示下一 個之前，將前一個位選清除，否則就容易產(chǎn)生“串位” ，導致顯示的不正常；在鍵盤掃描 子程序中， 當有鍵按下做相應操作， 必須當按鍵釋放時才能繼續(xù)掃描， 否則將導致一次按 下執(zhí)行多次的錯誤情況雖然遇到了許多困難，但是在老師的幫助下，我還是完成了這次的課程設(shè)計。 通過本次課程設(shè)計， 我進一步了解了系統(tǒng)搭建的過程和系統(tǒng)軟件編程的 步驟，為今后的學習打下良好的基礎(chǔ)。在這里我要感謝我的指導老師 XX老師。X老師工

18、作很忙，但還是在我做課程設(shè)計的時 間里一直關(guān)心我的進展， 從設(shè)計方案的確定和修改， 仿真的檢查， 及后來的詳細設(shè)計等過 程中都給了我很大的支持和關(guān)注。 本次課程設(shè)計讓我把理論應用到了實踐， 同時通過課程 設(shè)計，也加深了我對專業(yè)理論知識的理解和掌握。 在解決問題的過程中， 我查閱了大量專 業(yè)書籍，獲得了許多專業(yè)知識， 拓展了視野， 提高了我的理論水平和實際的動手能力， 并 讓我學會了解決問題的方法，激發(fā)了我的探索精神。這樣的課程設(shè)計是很好的鍛煉機會， 課程設(shè)計使我深入的了解到了實踐能力對于工科學生的重要性， 增強了我們的實踐動手能 力，也為我接下來大四的畢業(yè)設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。2012 年 7

19、 月 19 日完成 附錄1電路原理圖匸 rlc EO EO 匚呂0L£T a 誇 g1|isIEiIUl£5gB.B_dn_a.dg tB_ &30當曰it 蘭龍£ S拓E 呂蒔昱 g 番口一一 百賓S 口暑STT2-1"J Ijgl兄 感S35附錄 2 程序清單#include<at89x51.h>#define unchar unsigned char#define unint unsigned intunsigned char codedispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf

20、8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0 x84,0xff,0xbf;/ 顯示代碼unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/ 位選口unsigned char dispbuf4=0,0,0,0;unsigned char dispbitcnt;unint mstcnt;unint i;unint count=0;unchar tp=0;void ledshow();void keyscan();void delay();void just();void turn();void motorstop();voi

21、d speedup();void speeddown();void main(void)P3_0=1;P3_1=0;dispbuf0=16;TMOD=0x02;TH0=0x06;TL0=0x06;TR0=1;ET0=1;EA=1;while(1)ledshow();/ 數(shù)碼管顯示 keyscan();/ 鍵盤掃描/ 延時 10ms 程序void delay()unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);/ 鍵盤掃描程序void keyscan()unchar temp=0;P1=0xff; if(P1&0x1f)!=0x1f)delay();if(P1&0x1f)!=0x1f)temp=P1&0x1f; switch(temp) case 0x1e: just();break;case 0x1d:turn();break;case 0x1b:motorstop();break;case 0x17: speedup();break;case 0x0f:speeddown();break;while(P1&0x1f)!=0x1f);/ 數(shù)碼管顯示程序void ledshow()/P0=dispcodedispbufdispbitcnt;/P2