1、苏州大学本科生毕业设计（论文）1基于单片机的脉宽调制控制电路的设计摘要随着电子技术的不断发展，脉宽调制技术应用于电机转速的控制越来越广泛。特别是单片机应用技术的不断发展，使得脉宽调速技术成为电机调速的主流。 本设计给出了一种基于单片机的直流电机转速控制系统。该系统采用MCS-8051单片机为核心，产生PWM（脉宽调制）信号；把输出的PWM信号通过LMD18200驱动电路直接控制直流电机的启动、速度、暂停以及方向的变化；设计的键盘人机界面可以方便的改变PWM的状态，进而达到方便的改变电机的工作状态；电机的转速可以方便的显示在数码管上。通过试验，本设计不仅可实现直流电机启动、正反转和顺序控制，还可
2、方面的进行转速控制，控制精度达到了较高的要求，具有一定的实用价值。 关键词：PWM； 单片机；控制AbstractWith the electrical technology development, the technology of PWM have been used to machine speed control in far and wide. based on single chip microcomputer s direct current machine speed control system . This system uses the MCS-8051 single
3、chip microcomputer is a core, produces PWM (pulse-duration modulation) the signal; Uses the bipolarity drive type through the LMD18200 actuation chip to control direct current machines start, the speed, the suspension as well as the direction change; And uses the keyboard to take the input, adds and
4、 subtracts changes the PWM signal data; Carries on 7 section of nixietube actuations through CD4511 to demonstrate electric motors rotational speed. By this experiment this design may take the simple control to plurality of controls excessive, realizes the direct current machine to start, is reversi
5、ng outside the control and the sequential control, but must carry on the speed control, it have value to use in actually the key words: PWM; SMC；control苏州大学本科生毕业设计（论文）2前言在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。据资料统计，现在有的 90%以上的动力源来自于电动机，电动
6、机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。脉宽调制控制在电机控制方面起了很重要的作用。 脉宽调制控制控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点，对于交流电机驱动而言，传统的脉宽调制多采用模拟技术实现，即脉宽调制信号的获得是通过三角波与所希望的调制函数直接比较而获得，随着高性能的交流伺服驱动系统的全数字控制，以及驱动电机电流控制的数字化方法的实现，脉宽调制方法须采用数字化实现。数 字 化 实 现 脉 宽 调 制 方 法 的 一 个 优 点 就 是 从 处 理 器
7、到 被 控 系 统 信 号都 是 数 字 形 式 的 ， 无 需 进 行 数 模 转 换 。 让 信 号 保 持 为 数 字 形 式 可 将 噪 声 影 响 降 到 最 小 。总 之 ， 脉 宽 调 制 的 数 字 化 实 现 可 以 大 幅 度 降 低 系 统 的 成 本 和 功 耗 ， 提 高 系 统 的 可 靠 性 ，运 行 的 稳 定 性 。 由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。以至于从七十年代问世以来，在二十多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。单片机内部也用和电脑功能类似的模块
8、，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的。单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度。单片机所实现的控制是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。通过对单片机的程序的编写可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。 本设计就是基于单片机的应用实现脉宽调制控制的。利用单片机的编程来改变脉宽波形的占空比从而可以得到频率稳定占空比不同的矩形波，矩形波通过
9、滤波后就可以得到相应的电压值，从而控制电机。苏州大学本科生毕业设计（论文）3第 1 章 绪论第 1.1 节 脉宽调制控制电路概述脉宽调制技术起源甚早，随着工业生产的需求和科学技术的发展，80 年代后，它被广泛应用于工业功率控制装置的逆变器中，从此获得迅速发展。它的特点是以微处理器和电子半导体元件为核心，横跨电力、电子、微型计算机及自动化控制等多种学科领域。在对电路的控制中，因为模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制，所以模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻，拧动旋钮时，电阻值变大或变小，流经这个电阻的电
10、流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例，尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路运行时其参数容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作组件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。因此如果以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。脉宽调制就是用数字的方式控制电路的，也就是说脉宽调制控制是通过对模
11、拟信号电平进行数字编码的一种控制方式。由于高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调变用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。脉宽调制信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候就是电被断开的时候。只要频宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。本文介绍的是基于单片机软件产生的脉宽调制电压，即用单片机的编程，通过软件的方式输出一系列按一定规律变化的、幅值相等而宽度不相等的脉冲。在本设计中，系统的主要硬件是单片机，我选用了 MCS-5
12、1 单片机，MCS-51 单片机是美国 INTE 公司于1980 年推出的产品，与 MCS-48 单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达 111 条，MCS-51 单片机可以算是相当成功的产苏州大学本科生毕业设计（论文）4通讯接口单片机MCS 8051LED编码接口直流电机光电编码器LMD18200光耦品，一直到现在，MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。在驱动部分我用了 LMD18200。第 1.2 节 设计任务与要求本设计是在单片机的基础上实现脉宽调制电压，需要设计者对整个系统的每一部分进行认知，各部分的功能以及实现方法，要
13、求对该系统以 MCS-51 单片机为核心，产生PWM（脉宽调制）信号的过程以及通过 LMD18200 驱动芯片采用双极性驱动方式来控制直流电机的启动、速度、暂停以及方向的变化实现方法，并且采用键盘作为输入，加减改变 PWM 信号数据；通过 CD4511 进行 7 段数码管驱动显示电动机的转速的原理掌握并自主编程实现。本次设计对直流电机的简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、制动、正反转控制和顺序控制外，还要进行转速控制的实现需要设计者的专刻研究。例如用到的单片机的原理及其编程的方法；系统用到的基本原理，如脉宽调制控制的理论及脉宽调制控制的实现方法，都需要设计者的认真对待，查阅相关资料。第
14、 1.3 节 总体设计方案本设计是要求设计者基于单片机软件实现脉宽调制电压，设计的核心器件是单片机，由单片机的软件编程输出脉宽波形，再由驱动电路实现对被控电路的控制，对直流电机的启动、制动、正反转控制和顺序控制以及转速控制，具体硬件设计方案框图如图 1-1所示。苏州大学本科生毕业设计（论文）5图 1-1 硬件设计方案框图其主要由 MCS-8051 单片机、 LMD18200 的驱动电路、增量式光电编码器、编码器接口电路 LED 显示、 232 串行通讯接口电路构成。各部分作用介绍如下。MCS-51 单片机：实现对键盘控制，查看按键的状态的变化，判断按键是不是按下；并实现 LED 显示；并且生成
15、 PWM 信号，控制直流电机的转速。LMD18200：提供双极性驱动方式和单极性驱动方式，本设计用的是双极性方式，双极性可逆系统有低速运行平稳性的优点。增量式光电编码器：当光电编码器的轴转动时， A 、 B 两根线都产生脉冲输出， A 、 B 两相脉冲相差 900 相位角，如果 A 相脉冲比 B 相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。第 2 章 硬件设计第 2.1 节 单片机的选择本设计的硬件主体是单片机，单片机作为脉宽调制控制的中央处理单元，担负着重要的任务，所以对单片机的选择十分的重要。我在对市场上一些应用比较广泛的单片机进行了对比，最终选择了利用率比较高的 MCS-51 系列单片机。
16、MCS-51 把微型计算机的主要部件都集成在一块心片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性更高，运行速度更块，由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。而且它的开发环境要求较低，软件资源十分丰富，介绍其功能特性书籍和开发软件随处可取，只需配备一台 PC（个人电脑对电脑的配置基本上无要求） ，一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开发软件多使用 DOS 版本，随着 Windows 视窗软件的普及，现在几乎都使用 Windows 版本，并且软件种类繁多，琳琅满目，在众多的单片机品种中，C51 的环境资源是最丰富的，这给 C51 用户带来极大的
17、便利，一直到现在 MCS-51 系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品。因此，在工业测控系统中，它仍然是单片机的最理想的选择。单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。苏州大学本科生毕业设计（论文）6第 2.2 节 LMD18200 的介绍及工作原理2.2.1 LMD18200 的简介LMD18200 是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的 H 桥组件。同一芯片上集成有 CMOS 控制电路和 DMOS 功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200 广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。其功能如下： 额定
18、电流 3A，峰值电流 6A ，电源电压 55V ; 额定输出电流 2A ，输出电压 30V ; 可通过输入的 PWM 信号实现 PWM 控制： 可通过输入的方向控制信号实现转向控制； 可以接受 TTL 或 CMOS 以及与它们兼容的输入控制信号； 可以实现直流电动机的双极性和单极性控制； 内设过热报瞥输出和自动关断保护电路； 内设防桥臂直通的电路。2.2.2 LMD18200 的内部结构图 2-1 LMD18200 外形结构图苏州大学本科生毕业设计（论文）7LMD18200 外形结构如图 2-1 所示。它有 11 个引脚,采用 TO-220 和双列直插式封装。LMD18200 的原理图如图 2
19、-2 所示由图可见它内部集成了 4 个 DMOS 管，组成一个标准的 H 型驱动桥通过充电泵电路为上桥臂的 2 个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个 300kHz 的振荡器控制使充电泵电容可以充至 l4V 左右，典型上升时间是 20s， , 适于 1KHz 左右的工作频率。可在引脚 1、 11 外接电容形成第二个充电泵电路，外接的电容越大，向开关管栅极输入电容充电的速度越快电压上升的时间越短工作频率可以更高引脚 2 、10 接直流电动机电枢，正转时电流的方向应该从引脚 2 到引脚 10 ；反转时电流的方向应该从引脚 10 到引脚 2 。电流检测输出引脚 8 可以接一个对地电限，通过电阻来
20、输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为 10 A 当超过该值时会自动封锁输出并周期性的自动恢复输出如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚 9 输出当结温达到 145 时引脚 9 有信号输出。图 2-2 LMD18200 原理图2.2.3 LMD18200 的驱动方式LMD18200 提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个 PWM 周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性驱动方式是 PWM 控制信号通过引脚 3 输入，引脚 5 为 5V，根据 PWM 控制信号占空比来决定直流电机转速和方向，当占空比大于50%，输出电压大于电动机额定电压
21、 U0，电动机正转；当占空比小于 50%，输出电压小于苏州大学本科生毕业设计（论文）8电动机额定电压 U0，电动机反转；当占空比等于 50%，输出电压等于电动机额定电压U0，电动机不转。双极性可逆系统有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。单极性驱动方式是指在一个 PWM 周期内,电动机电枢只承受单极性的电压。PWM 控制信号通过引脚 5 输入，引脚 3 为方向输入，引脚 4 为使能输入。而本设计是应用的双极性可逆驱动方式。第 2.3 节 光电编码器接口光电编码器有 4
22、 个端口， 2 个电源端口 ，2 个脉冲输出端口（ A、B）。光电编码器输出信号形式如图 2-3 所示。图 2-3 光电编码器输出信号形式当光电编码器的轴转动时， A 、 B 两根线都产生脉冲输出， A 、 B 两相脉冲相差 900相位角，如果 A 相脉冲比 B 相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。 B 线用于测量脉冲个数， B 线与 A 线配合可以测量出转动方向。根据编码器的工作原理设计出编码器硬件接口电路如图 2-4 所示。苏州大学本科生毕业设计（论文）9图 2-4 编码器接口硬件电路以上升沿触发为例，当 B 路信号的上升沿引起中断时单片机判断 PC5 信号的电平高低若 PC5 为低
23、电平，则电机为正转，计数器值加 1；若为高电平，则电机为反转，计数器值减 1 。则电机的速度即为个采样周期中值的变化量。电机的转速=/s式中-标度变换系数，可根据转速的量纲来选择；- 一个采样周期中的计数值，它的符号反映电机的转动方向；S -采样周期。第 2.4 节 4N25 光电隔离光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。由于光电耦合器的输入阻抗（1001k）与一般干扰源的阻抗（105106 ）相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大（
24、约 1012）、隔离电容很小（约几个 pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来，如图 2-5 所示。开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。632 514AnodeCathodeEmitterCollectorNCBase图 2-5 4N25 光电耦合器苏州大学本科生毕业设计（论文）10目前
25、，大多数光电耦合器件的隔离电压都在 2.5kV 以上，有些器件达到了 8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件（频率高达 10MHz）。常用的器件如 4N25，其隔离电压为 5.3kV。第 2.5 节 直流电机的控制2.5.1 直流电机的 PWM 调压调速原理众所周知直流电动机转速，的表达式为(21)KIRUn式中 U -电枢端电压；I -电枢电流；R-电枢电路总电阻；-每极磁通量；K-电动机结构系数由式（2 -1 ）可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：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控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速
26、时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少现在，大多数应用场合都使用电枢控制法本节我们要介绍的就是在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。对电动机的驱动离不开半导体功率器件在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单输出波动小线性好，对邻近电路干扰小但是功率器件在线性区工作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。图 2-6 是利用开关管对直流电动机进行 PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形在图 2-6（a）中，当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 US。 t1 秒后，栅极输入变为低电平开关管截止，电动机电枢两端电压为 0 . t2 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
