直流电机控制

微机应用课程设计报告题目:基于单片机的直流电动机控制器设计专业：班级：姓名：学号:地点：时间：指导老师：摘要电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产、国防、医疗卫生、交通运输和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品中，都大量使用着各种各样的电动机。电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。本设计实现了对电动机的简单控制，也就是指对电动机进行启动、制动和正反转控制。电平，而PC机配置的是RS232标准串行接口，两者的电气规范不一致，因此要完成单片机与PC机的数据通信，必须对单片机输出的TTL电平进行电平转换。采用的转换电平芯片为MAX232。设计中采用STC89C52微处理器及其RS232通信接口、键盘、12864液晶显示器等外围电路，构成一台直流电机开环在线控制系统。设计中采用PWM调制技术，实现对直流电机速度的调制，并通过串口实现上位机的在线控制。系统实现了在线调速、正转、反转、加速、减速、停止等多种功能，并能实时显示、键盘设置等，具有一定的实际应用价值。关键词：单片机电平转换直流电机在线控制PWM调试1.设计思路....................................................................................................................II2.机控制直流电机部分的硬件设计...........................................................................IV2.2.1直流电机组成原理.............................................................................................IV2.2.2直流电机调速方案的设计..................................................................................V2.2.3直流电机测速方案的设计.................................................................................VI2.2.4PWM产生与控制部分方案的设计..................................................................VII2.2.5LCD显示部分方案的设计.................................................................................VII3各硬件部分的连接与接口.....................................................................................VII3.1单片机与直流电机接口部分..............................................................................VII3.2单片机与LCD显示模块通信接口部分................................................................IX3.3各部分硬件结合原理及构造................................................................................IX4软件程序设计..........................................................................................................XI4.1系统各部分软件设计的思路..............................................................................XIII5课设总结..................................................................................................................XV附录Ⅰ.......................................................................................................................XVII1.设计思路直流电机调速性能好,可靠性高,机械特性强,在自动控制中的应用极为广泛。直流电机的调速系统多种多样,但系统复杂,控制精度和成品价格难以兼顾。本文使用价格低廉、应用广泛的MCS-51系列单片机为控制芯片,以PI调节控制算法为基础,完成对直流电机转速的调节,达到了控制性能好,成本低的目的。本文重点阐述了该系统的基本工作原理、所采用的相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方法。根据本次课程设计的具体要求为，使用LCD显示出直流电机的转速，我们由题目可以分析出，这个题目实际是由多个部分组成的。既第一个部分应该为，用单片机控制直流电机的转速，并且系统应提供直流电机驱动、测速电路，使用单片机驱动直流电机，测量直流电机的转速，控制直流电机稳定运行在一个范围内。其二，可以分析出第二个部分应该为，使用LCD显示系统显示出直流电机的具体转速，并且单片机控制的电机实际转速与液晶显示器显示出的转速应该时时对应。其三，这个硬件系统的隐含意义是，本系统应该具有数模和模数转换的部分，因为这个模数转换部分在这个系统中是不可缺少的，单片机控制的直流电机转速，在实际中无论是对电机控制的信号，还是电机输出的信号都应该是数字信号，因为只有数字信号才能被单片机所识别，而最重要的是，单片机控制的直流电机输出的转速的信号只有是数字信号时才能被液晶显示LCD模块所识别，并最终准确的显示出直流电机的转速。设计原理方框图如图2-2所示,以AT89C51单片机为控制核心,包括测速电路、PWM波形发生器和PWM功放电路以及LCD显示部分。图2-2硬件方框设计原理图2.机控制直流电机部分的硬件设计2.2.1直流电机组成原理直流电动机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。直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关和调速器组成。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱动电机旋转。通过对三极管的截止与导通进行控制，使其起到开、关和调速的作用。具体的操作为当直流电动机接上直流电源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。如直流电机控制原理图2-3图2-3直流电机控制原理1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动；2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着集极电压改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。具体原理为集极的电压大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速度。2.2.2直流电机调速方案的设计直流电动机的转速控制方法可以分为2大类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。并且励磁线圈电感较大，动态性能响应较差，所以这种控制方法用的很少，多使用电枢控制法。本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度和转向进行控制。电机调速控制模块的方案假设：直流电机转速调节：某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节，例如，电车、机床等，调节范围根据负载的要求而定。调速可以有三种方法：（1）改变电机两端电压；（2）改变磁通；（3）在电枢回路中，串联调节电阻。采用第一种方法：通过改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的。2.2.3直流电机测速方案的设计测速电路由附在电机转子上的光电编码盘及施密特整形电路组成。电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标准的TTL电平,输入到单片机的两个外部中断:INT0和INT1,利用单片机内部定时器/计数器T0和T1,以及内部一个寄存器作软计数器,循环地捕捉相邻两次速度脉冲,并由这两次触发所记录的时间差算出其转速,再将这个转速与预置转速进行比较,得出差值,单片机通过对这个差值进行PI运算,得出控制增量,在P010～P013引脚送出控制信号改变PWM波形发生电路的占空比,最终达到控制电机转速的目的。2.2.4PWM产生与控制部分方案的设计1.PWM波形发生电路由于测速中占用了两个定时器T0和T1,如果再将PWM波形产生交给AT89C51则会加大软件的任务,并且影响整个系统的控制效果。因此这里考虑单独设计一个PWM波形发生电路,单片机对它只提供控制参数以改变其占空比。2.2.5LCD显示部分方案的设计1.课设所用LCD模块概述模块SMC1602B由一块点阵液晶屏和控制器HD44780及其辅助电路组成。本系统设计采用OCMJ中文模块系统LCD液晶作为下位机的显示模块。该模块内含GB231216×16点阵国标一级简体汉字和ASCII8×8(半高)及8×16(全高)点阵形英文字库，用户输入区位码或ASCII码可实现文本显示。OCMJ中文液晶显示模块采用ASK／ANSWER握手方式。3各硬件部分的连接与接口3.1单片机与直流电机接口部分电机控制系统组成框图见图3-1图3-1电机控制系统组成原理图图3-3触发电路原理根据以上电机的各部分电路的构造原理，我们接下来再考虑电机与单片机接口的通信连接。在构思设计的同时也要考虑硬件的最大利用率，本次课设可以先在电脑上进行模拟仿真这样就能提高设计的效率以及电路的可行性。而且在仿真的过程中非常方便进行电路修改又可以达到很好的效果。因此通过使用Protues对硬件电路精心设计并对该电路进行仿真调试，用脉冲形式代替光电耦合管测取转速，再与单片机进行通信连接，可如下图3-4所示。图3-4光电耦合器与电机连接3.2单片机与LCD显示模块通信接口部分本次课程设计只用到了串行方式进行转速显示。但是在与单片机相连接线的时候依然把其他的数据引脚连接在单片机的P1端口，具体的接线法可以在P2端口体现如图3.5所示。仿真的接线法在仿真软件中能够很好的模拟出来，而课设所用的实验箱却是天皇教仪内部已经有固定的焊接点。对系统进行调试时只有接P1口就行具体接法为引脚CS连接P1.0、引脚STD连接单片机的P1.1、引脚SCLK连接P1.2、引脚PSB连接P1.3、引脚RES连接P1.4。图3-5显示器引脚与单片机连接3.3各部分硬件结合原理及构造各部分硬件连接按照以下原理图3-6图3-6硬件连接原理图其实际的连接接口图如下图3-7图3-7各部分硬件结合电路图4软件程序设计设计过程中，只有知道现有的硬件连接才能进行软件设计与调试。没有硬件的程序是毫无意义的。因此为了达到课程设计所需的要求，又根据硬件的条件及接线法进行了如图4-6所示的编写程序步骤。图4-1主程序流程图4-2中断程序图4-3中断程序图4-4PI算法调用程序图4-5中断程序