毕业设计(论文)-单片机电机测试系统的研制--电机控制板的设计.doc
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1、单片机电机测试系统的研制电机控制板设计院 系:专 业 班:姓 名:学 号:指导教师: 2012年5月33 单片机电机测试系统的研制电机控制板的设计The Development of Motor Test System Based on MCUThe Design of Motor Control Board摘 要转速是直流电机运行中的一个重要物理量,如何准确、快速测量出电机转速,并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转矩大,能在宽广的范围内平滑、经济地调速,转速控制容易,调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统,主要由51
2、单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式,PWM是脉冲宽度调制,通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制,LED实现对测量数据(速度)的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波,通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数,计算出电机的速度,实现了直流电机的反馈控制。 关键词:直流电机调速 51单片机 PWM控制 Abstract Speed is an important physical quantities in the running
3、 DC motor , how to accurately and quickly measure the motor speed and has a very large value in use in practical work on the motor speed control. DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, econ
4、omical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, H-bridge driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic produ
5、cts. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through 3independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realize the measurement da
6、ta (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control. Keywords:DC motor speed control MCU51 PWM control 目 录摘要Abstract II绪论 11 直流调速系统简介2
7、1.1 直流调速系统发展概况21.2 本课题研究目的及意义32 直流调速及PWM控制原理42.1 直流电机调速原理42.2 直流电机的调速方法52.3 PWM脉宽调制原理 83 系统总体设计93.1 系统功能分析93.2 系统组成框图93.3 MCU选择 103.4 电机选择 104 硬件设计 12 4.1 单片机最小系统设计 12 4.2 测速方案选择 124.3 驱动电路设计 134.4 通信接口设计 144.5 稳压电源电路 155 软件设计 175.1 主程序流程图 185.2 驱动程序设计 185.3 测速程序设计 205.4 通信程序设计 23结论23致谢24参考文献25附录1程序
8、清单26附录2原理图33绪 论 现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化,因此必然要与各种单元件组成的自动控制系统联系起来,而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。 随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中,自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外,低成本自动化技术与设备的开发,越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业,应用适用技术的设备,不仅有益于获得经济效益,而且能提高生产率、可靠性与柔性,还有易于
9、应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。 在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛,例如:军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制;工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制;计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描
10、仪等的控制;音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。 随着电力电子技术的发展,开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流,脉宽调制技术表现出较大的优越性:主电路线路简单,需要用的功率元件少;开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都较小;低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统快速响应性能好,动态抗扰能力强;主电路元件工作在开关状态,导通损耗小,装置效率较高;近年来,微型计算机技术发展速度飞快,以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力,正向社会的各个领域渗透,直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。1 直流调速系统简介1.1 直流调
11、速系统发展概况 在现代工业中,电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中,随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长,越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中,按照传动电动机的类型来分,可分为两大类:直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点,但主要缺点为调速较为困难。相比之下,直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点,但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速,因此直流调速系统在一些对调速性能要求较高的系统中有很大的使用价值。 直流调速系统
12、的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制,形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统,并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。 1964年A.Schonung和H.ste
13、mmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来,体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化,把电机控制推上了一个崭新的阶段,以微处理器为核心的数字控制(简称微机数字控制)成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器(DAC)用于功率输出控制,其中,直流电机的速度控制是最常见的应用。 随着生产技术的发展,对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求,这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.2 本课题
14、设计的目的及意义 直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的
15、提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件,虽在一定程度上满足了生产要求,但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响,并且线路复杂、通用性差,控制效果受到器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行可靠性及准确性得不到保证,甚至出现事故。目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,伴随着电子技术的高度发展,促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变,特别是单片机技术的应用,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。 2 直流调速及PWM控制原理2.1 直流电机调速原理 直流电动机,多年来一直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩
16、而实现连续的旋转运动的。图2-1为直流电机的物理模型图,其中,固定部分(定子)由磁铁(称为主磁极)和电刷组成;转动部分(转子)由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成,定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。图2-1 直流电机的物理模型图直流电动机的工作原理如图2-2所示。给两个电刷加上直流电源,如图2-2 所
17、示,有直流电流从电刷A流入,经过线圈abcd,从电刷B流出,根据电磁力定律,载流导体ab和cd收到电磁力的作用,其方向可由左手定则判定,两段导体受到的力形成了一个转矩,使得转子逆时针转动;如果转子转到图2-2所示的位置,电刷A和换向片2接触,电刷B和换向片1接触,直流电流从电刷A流入,在线圈中的流动方向是dcba,从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定,它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由线圈边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,
18、总是从电刷B流出的方向,这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向,这样的结构,就可使电动机连续旋转。图2-2 直流电机原理图2.2 直流电机的调速方法 根据直流电机的基本原理,由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知,直流电动机的调速方法有三种: (1) 调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。(2) 改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机
19、额定转速向上调速,属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。 (3) 改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多,目前很少采用,仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大,往往是和调压调速配合使用,在额定转速以上作小范围的升速。因此,自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主,必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
20、 调节电枢供电电压或者改变励磁磁通,都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种: (1) 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。 (2) 静止可控整流器(简称V-M系统)。用静止的可控整流器,如汞弧整流器和晶闸管整流装置,产生可调的直流电压。 (3) 直流斩波器(脉宽调制变换器)。用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压,从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和
21、电动机的转向都随着改变,所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后,因此搁置不用。 V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数,半波、全波、半控、全控等类型,可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高,维护运行麻烦。最后,当系统处于低速运行时,系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备2。图2-3 晶闸管电动机调速系统原理框
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