1、郑 州 交 通 职 业 学 院 嵌入式系统期末课程设计报告 实验项 目名 称 直流电机控制的设计 所 属 课程名 称 单片机应用技术项目教程 实 验 类 型 实验型 实 验 日 期 2012-06-05 学 历 班 级 10 级电信一班 学 号 201008060830137 姓 名 张 杰 指 导 老 师 姜 海 1 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。直流电机具有非常好的调速性能，目前，在一些对调速性能要求比较严格的场合中，主要使用的还是直流调速系统。本文阐述了基于 AT89S52 单片机的直流电
2、动机转速控制系统，硬件系统主要包括： A/D 转换环节、控制驱动环节及相关硬件电路；软件设计采用 C 语言编程。该系统采用 PWM 脉冲 方式驱动电动机，通过调节电位器来调节PWM 脉冲宽度。从而，在电动机转速的可控范围内控制电动机转速。最后对整个设计过程中出现的问题进行了分析。 关键词 ：直流调速； A/D 转换； PWM 控制； C 程序 2 1 绪论 1.1 直流调速系统发展概况 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
3、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
4、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.stemmler 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
5、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。 3 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 本课题研究目的及意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，
6、优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。 随着单片机的发展，数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，用于自动产生 PWM 波；有捕捉功能，用于测频；有 A/D 转换器、用来 对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模 /数转换；有各种同步串行接口、足够的内部 ROM 和 RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中 AT89S52 单片机做为控制芯片 。 通过设计基于 AT89S52 单片机的直流 PWM 调速
7、系统并调试得出结论，在掌握 AT89S52 的同时进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。 1.3 论文主要研究内容 本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。基本思想是利用AT89S52 产生 PWM 脉冲 ，通过调整 PWM 的占空比， 控制电机的电枢电压，进而控制转速。 系统硬件设计为：以 AT89S52 为核心，由转速环、显示、按键控制 、 A/D 转换 等电路组成。 具体内容如下： （ 1）介绍直流电动机工作原理及 PWM 调速方法。 （ 2）完成以 AT89S52 为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。 （ 3）以该系统的特点为基础进行分析，使
8、用 PWM 控制电机调速。 4 c r cn RU TC C C 内（ 4）对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。 2 直流调速 及 PWM 控制 原理 2.1 直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流 电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式： 其中： U 电压； R内 励磁绕组本身的电阻； 每极磁通 (Wb)； Cc 电势常数； Cr 转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向
9、器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常 用的方法是电枢控制法。 图 2-1 直流电机的工作原理图 电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电5 子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制 (PWM)调压等等。调压调速法具 有平滑度高，能耗少，精度高等优点。在工业生产
10、中广泛使用其中脉宽调制 (PWM)应用更为广泛。 2.2 PWM 脉宽调制原理 PWM 脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。 下式是占空比计算公式： 式中 t1 表示一个周期内开关管导通的时间， T 表示一个周期的时间。 占空比 D 表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值 ， 变化范围为 0D1。由 上式 可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值 为D maxV =V *D ，因此 改变 占空比 D 就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM 调速原理。 在 PWM 调速时，占空比是一个重要参数
11、。以下是三种可改变占空比的方法： （ 1）定宽调频法 :保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （ 2）调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。 （ 3）定频调宽法：保持周期（或频率）不变，同时改变、。 前 2 种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第 3 种方法。 定频调宽法 是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此， PWM
12、又被称为“开关驱动装置”。如图所示： TtD 16 图 2-2 电枢电压占空比和平均电压的关系图 3 系统总体设计框图及单片机系统的设计 3.1 AT89S52 单片机简介 1 AT89S52 单片机的基本组成 AT89S52 单片机由 CPU 和 8 个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用 CPU 加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如下图所示： 图 3-1 AT89S52 单片机内部结构图 2 CPU 及 8 个部件的作用功能介绍如下 中央处理器 CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。 7 内部数据存储器：
13、 AT89S52 芯片中共有 256 个 RAM 单元，能作为存储器使用的只是前 128 个单元，其地址为 00H 7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前 128 个单元，简称内部 RAM。 特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的 RAM 区，位于内部 RAM 的高 128 个单元，其地址为 80H FFH。 内部程序存储器： AT89S52 芯片内部共有 8K 个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部 ROM。 并行 I/O 口： AT89S52 芯片内部有 4 个 8 位的 I/O 口（ P0， P1， P2， P3），以实
14、现数据的并行输入输出。 串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。 定时器： AT89S52 片内有 3 个 16 位的定时 /计数器，用来实现定时或者计数功 能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。 中断控制系统：该芯片共有 6 个中断源，即外部中断 2 个，定时 /计数中断 3个和串行中断 1 个。 振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成 AT89S52 单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。 3 AT89S52 单片机引脚图 图 3-2 AT89S52 单片机封装图 8 3.2 系统 中所用其他芯 片简介 1. 芯片 ADC0809 简介 ADC0809 是 8 位、逐
15、次比较式 A/D 转换芯片，具有地址锁存控制的 8 路模拟开关，应用单一的 +5V 电源，其模拟量输入电压的范围为 0V-+5V，其对应的数字量输出为 00H-FFH，转换时间为 100 s，无须调零或者调整满量程。 2. ADC0809 的引脚及其功能 ADC0809 有 28 个引脚，其中 IN0-IN7 接 8 路模拟量输入。 ALE 是地址锁存允许 、 接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。 START 是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的 A/D转换。 EOC 是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE 是输出允许端。 CLK 是时钟端。 DB0-DB7 是数字量的输 出。 ADDA、 ADDB、ADDC 接地址线用以选定 8 路输入中的一路，详见下图表。 图 3-3 ADC0809 内部结构及封装图 表 3-1 ADC0809 的选通输入表 ADDC ADDB ADDA 选通输入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 REFV REFV9 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 3.3 系统主要部分电路介绍 3.3.1 晶振 电路 3.3.2调速电路
