直流电机PWM调速与控制设计报告

综合设计报告单位：自动化学院学生姓名：专业：测控技术与仪器班级：0820801学号：指导老师：成绩：设计时间：2011年12月重庆邮电大学自动化学院制一、题目直流电机调速与控制系统设计。二、技术要求设计直流电机调速与控制系统，要求如下：1、学习直流电机调速与控制的基本原理；2、了解直流电机速度脉冲检测原理；3、利用51单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路；4、使用C语言编写控制程序，通过实时串口能够完成和上位机的通信；5、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图。6、要求电机能实现正反转控制；7、系统具有实时显示电机速度功能；8、电机的设定速度由电位器输入；9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。三、给定条件1、《直流电机驱动原理》，《单片机原理及接口技术》等参考资料；2、电阻、电容等各种分离元件、IC、直流电机、电源等；3、STC12C5A60S2单片机、LM298以及PC机；四、设计1.确定总体方案；2.画出系统结构图；3.选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路，设计硬件电路；4.设计串口及通信程序，完成和上位机的通信；5.画出程序流程图并编写调试代码，完成报告；直流电机调速与控制摘要：当今社会，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，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。本电机控制系统基于51内核的单片机设计，采用LM298直流电机驱动器，利用PWM脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机I/O口定时采样，最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制，其中电机的设定速度由电位器经A/D通过输入，系统的状显示与控制由上位机实现。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。关键字：直流电机、反馈控制、51内核、PWM脉宽调制、LM298一、系统原理及功能概述1、系统设计原理本电机控制系统采用基于51内核的单片机设计，主要用于电机的测速与转速控制，硬件方面设计有可调电源模块，串口电路模块、电机测速模块、速度脉冲信号调理电路模块、直流电机驱动模块等电路；软件方面采用基于C语言的编程语言，能实现系统与上位机的通信，并实时显示电机的转速和控制电机的运行状态，如开启、停止、正反转等。单片机选用了51升级系列的STC12c5a60s2作为主控制器，该芯片完全兼容之前较低版本的所有51指令，同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路10位AD转换器、一个SPI接口等，能非常方便的满足本次电机控制的需求，其PWM端口用于输出一定频率且脉宽可调的PWM波用于控制电机转速，单片机自带的A/D端口作为设定速度的模拟信号输入口，定时器用于串口通信和速度的定时采样以及上位机的定时显示等。系统的电机驱动单元选择了LM298N大功率驱动芯片，再利用TLP521光耦合器和整流二极管设计的驱动电路能实现电器隔离与控制，能提高控制效率和精度极大减少了挠动干扰，而且可以实现电机的正反装和刹车功能。系统测速模块基于槽型光耦GK105设计，将电机的转速转换成不同频率的脉冲信号，在经过基于LM324的电压比较器和74HC573锁存器进行信号波形的整形，最后通过检测单片机的I/O口的脉冲实现速度的测量。1．1直流电机基本工作原理图直流电机的基本结够图1．2直流电机调速原理直流电机转速n的表达式为:KIRUn(1-1)式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n的控制方法有三种，主要以调压调速为主。本控制器主要通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本系统采用了定频调脉宽方式的PWM控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差率（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时,闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。+-图1直流电机速度闭环控制方案二、系统硬件设计1．系统总体设计框图本系统采用STC12C5A60S作为控制核心，用上位机显示设定转速和测量转速以及控制电机。采用LM298驱动芯片作为本系统的驱动电路和用槽型光耦GK105作为该系统的测量电路。框图如2所示。驱动电路调节器直流电机测速装置转速设定值偏差转速输出STC12C5A60S2单片机LM298驱动电路直流电机光耦测速管信号调理电路时钟电路上位机显示与控制UART串口电路速度模拟量输入电路电源模块图2直流电机控制系统总体框图2．模块电路及功能介绍单片机最小系统电路单片机主要擅长系统控制，而不适合做复杂的数据处理，在设计单片机最小系统时我们选用STC12C5A60S2位DIP-40封装的单片机作为MCU。STC12C5A60S2芯片是有宏晶科技生产的单时钟./机器周期（1T）的单片机，具有64K的用户程序存储空间及1280字节的RAM，完全兼容之前较低版本的所有51指令，但速度快5—8倍，内部集成有MAX801专用复位电路、同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路高速10位AD转换器、一个SPI接口等，应用于电机控制等强干扰场合。本系统的单片机最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路、外围总线接口等部分组成。图3为单片机最小系统结构框图。图351最小系统电路2.1.1系统时钟电路单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如图6所示，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，本系统采用12MHz的晶振。补偿电容通常选择20-30pF左右的瓷片电容。2.1.2复位电路单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图6所示。上电自动复位通过电容充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻与VCC接通来实现。电机驱动模块直流电机驱动采用常用的H桥电路，通过控制信号选通对管与否实现电机的正反转，并改变所加电压的占空比来改变电机转速。如图4所示，这里采用电机驱动专用芯片L298N，该芯片可驱动两路5‐36V的直流电机或者一路四拍的步进电机。同时在L298N与主控芯片间通过四路光耦TLP521‐4隔离消除干扰信号。在STC12C5A60S2上配置好串口、PWM，实现串口接收的数据直接赋值给PWM定时器CCAP1L、CCAP1H。利用串口调试助手发送控制信息给STC12C5A60S2，同时辅助外界6V电源更改L298N的IN1和IN2共同完成L298N电机驱动模块的调试。图4LM298N电机驱动电路直流电机测速电路2.3.1槽型光耦GK105测速电路图5槽型光耦GK105电路图6电机转速编码装置如图5和图6所示，光电对管采用槽型光耦GK105电路由一只特殊的发光二极管和光电三极管构成，当二极管发出的光打在光电三极管的基极B上时三极管CE导通。而正常情况下二极管的光不能到达光电管的基极上，故通过装在电机转轴上得圆形编码片即可实现对小车的测速。假设编码片儿有n片个缺口，测得光电三极管的输出脉冲频率为f，则车速=f/n。由图7可知,电机每转一圈,槽型光耦产生4个脉冲,因此可以利用槽型光耦传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间,则电机的实际转速为：V=(N/4)*60;V:速度R/minN:每秒采样的脉冲个数图7电机转1圈GK105光耦管信号2.3.2速度脉冲信号调理电路给电机加电让其带动编码盘旋转，将光电对管靠近编码盘，用示波器观测输出脉冲信号的有无与好坏。信号调理电路主要利用LM324运算放大器设计的比较器，如图8所示，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于。为了提高测速的精度，在信号后级添加比较器调理信号为标准的方波，调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。图8基于LM324的信号调理电路串口电路设计MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。其内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电，15脚GND、16脚VCC（+5V）。电路如图9所示。T2_OUT7T1_IN11T2_IN10R1_OUT12R2_IN8R2_OUT9C1+1VCC16C1-3V+2C2+4C2-5V-6R1_IN13GND15T1_OUT14U2MAX232TXDGNDRXD+C1910uf/50V+C2110uf/50V+C2210uf/50V+C2010uf/50V594837261RS-232DB9+5V图9串口电路图系统电源设计本系统要求有5V和6—7V的电源输入，因此我们选用了LM317作为电源芯片。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。其应用电路如图10所示。图11为电源滤波电路。图10稳压电路图11滤波电路稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=（1+R2/R1）。本系统中取R1为240n,R2取5K的可调电位器。通过调节R2的阻值大小，进而可以改变输出电压的大小，实现电压可调，其可调范围是Vo=—37V。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。电机设定速度输入电路本系统采用了简单的电位器，通过电位器将5V电源信号分压在经过单片机A/D端口输入到CPU处理，实现电机速度手动的可调，其电路如图12所示。图12电位器速度设置电路三、系统软件设计本程序主要分为6大块，主程序、A/D转换处理程序、PWM输出程序、串口显示与电机状态控制程序、定时器0的中断服务程序，串口中断服务程序。主程序主要做了系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。配置STC12C5A60S2定时器0为定时器方式2、50ms计数器中断，累计20次定时器0中断为1秒