基于单片机的直流电动机PWM 调速系统设计

本文仅供参考目录1 引言12 直流PWM 调速系统的工作原理13 直流电机PWM 调速系统的硬件组成24 设计方案134.1 主控电路设计34.1.1 P89V51RD2概述34.1.2 特性34.1.3 用到的功能44.1.3.1 脉宽调节模式44.1.3.2 16位软件定时器模式44.1.3.3 定时器/计数器0和144.1.4 电路设计54.2 键盘接口和显示电路设计54.2.1 ZLG7290模块简介54.2.1.1 特点54.2.1.2 采用24 引脚封装引脚图64.2.2 电路设计74.3 驱动电路设计84.3.1 L298简介84.3.2L298N的逻辑功能84.3.3 L298内部结构图794.3.4 电路设计104.4 其他电路设计104.4.1 单片机程序下载电路104.4.2 电源电路114.4.3 复位电路114.5 总体电路图125 系统调速程序设计145.1 编程软件145.2 编程模块145.2.1 中断程序部分145.2.2 键盘部分和显示部分145.3 程序框图145.3.1 定时器中断程序框图145.3.2 键盘和显示模块流程图155.4 实现功能166 设计方案2166.1 电路设计166.2 程序框图5187 操作说明18基于单片机的直流电动机PWM 调速系统设计摘 要：本文根据降压斩波电路原理，结合在实际中的应用，从原理设计上实现了直流PWM 调速系统，根据可行性，论文提出了两种方案思想，方案1为一个开环系统，调节占空比，进而改变U0的大小，即电动机端电压的大小，于是改变电动机的转速，达到调速的目的，通过键盘输入转速给定，查表计算对应占空比。方案2为一个闭环系统，控制程序按照PID算法自动调节占空比，以缩短过度过程，使转速稳定。本文给出了单片机和接口电路的硬件详细介绍和相关电路设计和程序框图设计。 关键词：PWM ，调速系统，占空比，P89V51RD2,L298 1 引言随着计算机进入控制领域以及高开关频率、全控型电力半导体器件的发展，脉宽调制（PWM） 的直流调速系统在调速控制中得到越来越普遍的使用。PWM(脉冲宽度调制)功率放大器具有功耗低，效率高，体积小，价格低，工作可靠等优点，并且大大降低了电路的复杂度，提高了系统的可靠性。因此，直流电动机采用PWM调速已经得到了广泛的应用，在传统的调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式，应用的元件较多，同样会增加电路的复杂程度。为此，本文介绍一种靠软件发出脉冲信号来实现直流电动机调速控制的方法，本系统具有功率器件体积小，功率大，损耗低，控制灵活简单，效率高的特点。2 直流PWM 调速系统的工作原理PWM 调速装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短，通过改变直流伺服电动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。占空比越高转速越快，反之亦然。因此，这种装置又称为开关驱动装置，PWM 控制的示意图，如图1 所示。图1这是一个直流降压斩波电路。电压平均值Ud可用下式表示为Ud=E*ton/(ton+toff)=E*ton/T=E （1）,式中ton 开关每次接通的时间；T 开关通断的时间周期； 占空比，= ton /T 。由此电路得到的电动机两端的电压波形，如图2 所示。图2在他励直流电动机中，有Ea=Ua-IaRa（2），式中Ua电机的端电压，Ua=U-IaR，当Ia=0或R=0时，Ua=U。若忽略电阻压降IaRa，并考虑Ea=Cen,则式（2）变为nUa/Ce（3）。由(1),(3)两式可见，改变开关接通时间ton 和开关周期T 的比例亦即改变脉冲的占空比，电动机两端的电压平均值也随之改变，电动机的转速与端电压成正比，而端电压与占空比成比例。因而电动机转速得到了控制。改变占空比有两种调制方法：一种是开关周期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ，缩写为PWM）；另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率( f = 1/T ) 来改变占空比，亦即脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation ，缩写为PFM）。1由于PFM 控制是依靠脉冲频率来改变占空比的，当遇到某个特殊的频率下的机械谐振时，常导致系统震动和出现啸叫声，这一严重的缺点导致PFM 控制在伺服系统中不适用。目前，在直流电动机的控制中，以PWM 控制方式为主。 根据以上原理，本系统采用键盘输入转速给定，按照PID算法自动调节占空比，缩短过渡过程、稳定速度。本设计将占空比为1时Ud对应转速最大值，这样调节占空比就能实现转速由最大到最小的调节。比如可以将一开机占空比初值设置成50%，转速设置成最高的一半，则可以通过调节占空比，使转速可以在设定范围内调节。这个设置在编制程序中设定。3 直流电机PWM 调速系统的硬件组成 该直流电动机PWM 调速系统由上位机（PC 机）、单片机P89V51RD2、功率集成电路芯片L298 和直流电动机组成，如图3 所示。在整个PWM 调速器中，PC 机作为主控制器，其上运行控制主程序，提供用户界面，并且根据系统提供的信息将电动机运行的指令（速度值）下达给单片机。单片机作为底层控制器，运用一定的控制算法完成电动机的速度控制。图34 设计方案1 根据给定转速，通过查表或者计算，得到对应的占空比，进行改变转速。设电机转速n=f(u), u=E,由这两个关系式可以推导出=G(n)，当从键盘输入转速时就可以由=G(n)解出对应占空比的值，就可以向单片机的PWM寄存器中送入256*的值，这样就从单片机的PWM模块中输出了占空比为的PWM波，电机的转速为给定值。这种情况是理想的情况，当电机负载或者电压E发生变化，=G(n)就会发生变化，这时通过计算或者查表得出的占空比就和实际情况发生偏差，这时电机的转速就会偏离给定的转速。这种方案控制简单，实现容易，但是只适用于转速控制精度不高和负载变化不大的情况。4.1 主控电路设计采用P89V51RD2单片机为主控芯片，可以将编好的程序通过计算机串口下载到芯片中，而不必通过编程器下载。芯片内部含有flash和RAM，无须扩展外部存储器，使用方便。而且含有pwm模块，适合输出PWM波，简单方便。4.1.1 P89V51RD2概述P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字节的数据RAM。 Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程（ISP）。并行编程方式提供了高速的分组编程（页编程）方式，可节省编程花费和推向市场的时间。ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实现了ISP的大范围应用。2 4.1.2 特性80C51核心处理单元； 5V的工作电压，操作频率为040MHz； 64kB的片内Flash程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能； 通过软件或ISP选择支持12时钟（默认）或6时钟模式； SPI（串行外围接口）和增强型UART； PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获/比较功能； 4个8位I/O口，含有3个高电流P1口（每个I/O口的电流为16mA）； 3个16位定时器/计数器； 可编程看门狗定时器（WDT）； 8个中断源，4个中断优先级； 2个DPTR寄存器； 低EMI方式（ALE禁能）； 兼容TTL和CMOS逻辑电平； 掉电检测； 低功耗模式 掉电模式，外部中断唤醒；空闲模式； 34.1.3 用到的功能4.1.3.1 脉宽调节模式所有PCA模块都可用作PWM输出，所以把PCA模块设置成PWM输出模块。输出频率取决于定时器的时钟源。 图42由于所有模块共用仅有的PCA定时器，所以他们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器CCAPnL有关，脉宽的数值保存在PCA定时器中，和CCPA在8位比较器进行比较，当PCA CL SFR的值小于CCAPnL SFR时，输出为低，当PCA CL SFR的值等于或大于时，输出为高。即产生了脉宽可调的PWM波，当CL的值由FF变为00溢出时，的内容装载到CCAPnL中，这样就可以实现无干扰地更新PWM。另外，要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWM和ECOM位必须置位。4.1.3.2 16位软件定时器模式通过置位CCAPMn寄存器的ECOM和MAT位，可使PCA模块用作软件定时器，PCA定时器的值与模块捕获器的值相比较，当两者相等时，如果位CCFn（CCON SFR）和位ECCFn（CCAPMn SFR）都置位，将产生中断。4.1.3.3 定时器/计数器0和1 2个16位定时器/计数器：定时器0和定时器1。两者可配置成定时器或事件计数器。用做定时器功能时，每经过一个机器周期，寄存器加1。因此，可以将一个机器周期看做计数周期。由于一个机器周期由6个振荡周期组成，所以，定时器的计数率为1/6振荡频率。4.1.4 电路设计图5P1.5为 PWM输出口，M0，M1输出0，1电平，设置当都为0或者1时，电动机停止；当为1，0时正转，0，1时反转，程序存储在Flash程序存储器中4.2 键盘接口和显示电路设计采用ZLG7290芯片，可以通过键盘调节脉宽，进而调节占空比，改变电动机转速。4.2.1 ZLG7290模块简介4.2.1.1 特点1 I2C 串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口2 可驱动8 位共阴数码管或64 只独立LED 和64 个按键3 可控扫描位数可控任一数码管闪烁4 提供数据译码和循环移位段寻址等控制5 8 个功能键可检测任一键的连击次数6 无需外接元件即直接驱LED 可扩展驱动电流和驱动电压7 提供工业级器件多种封装形式PDIP24 SO24。44.2.1.2 采用24 引脚封装引脚图如图6所示图644.2.2 电路设计图7键盘接口模块电路（图7中上半部分）图中的14个键为0-13号，为数字输入控制电动机的转速和正反转及停止。显示模块电路（图7中下半部分）采用8个共阴极数码管，采用比较省电的动态显示方式。6图8图8为图7的左下角部分的放大，I2C接口的5接正，3接负，4接单片机P89V51RD2的p1.6口，2接p1.7，1接p3.2（图中未画），用来3位显示0-256的数字。4.3 驱动电路设计采用L298驱动器，接受单片机的输入信号并放大，驱动电动机运转。4.3.1 L298简介L298N 是SGS 公司的产品, 内部包含4 通道逻辑驱动电路, 是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL 逻辑电平信号, 可驱动46V、2A 以下的电机。其内部具有2 个完全相同的PWM 功率放大回路， L298 可驱动2 个电机, OUT1、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平, 控制电机的正反转, ENA, ENB 接控制使能端, 控制电机的停转。L298 的逻辑功能如表1所示。4.3.2 L298N的逻辑功能表1 L298N的逻辑功能ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2(IN4)同IN1(IN3)快速停止LXX停止4.3.3 L298内部结构图7图94.3.4 电路设计图10图10中，单片机发出的PWM信号经6输入，调节电动机转速；单片机发出的0，1电平由M0和M1口发出，经5和7输入，控制电动机的正反转和停止。根据表1，可改为表2，如下所示表2输入功能PWM为高M0=1;M1=0正转M0=0;M1=1反转M0=M1快速停止PWM为低M0,M1无论为何种状态不转4.4 其他电路设计4.4.1 单片机程序下载电路图11 单片机程序下载电路 通过MAX232ACPE芯片把计算机发送的232电平转换为TTL电平4.4.2 电源电路 图12 电源电路MC7805把10v转换成5v供单片机使用，给单片机供电4.4.3 复位电路上电复位器件的复位输入是RST脚。要使器件复位，振荡器运行稳定后，RST脚上的逻辑高电平至少要保持2个机器周期，（24个时钟周期），初始上电后，端口管脚可能是任何一种状态，直到振荡器稳定起振和内部复位逻辑将所有管脚微弱拉高。无有效复位的器件上电会使MCU从一个不确定的地址开始执行程序。这样未定义的状态会破坏flash的代码。器件通电后，RST脚上的高电平除了要保持有效上电复位所需的2个机器周期外，还要保持一段时间，以便振荡器能稳定起振（低频振荡器需要几个毫秒）。所以给出一个延长RST信号的方法：将RST脚通过一个10uF的电容连接到VDD和通过一个8.2k的电阻连接到Vss，即搭建一个RC电路，如图13所示。如果使用了RC电路，要确保VDD的上升时间小于1ms，振荡器的起振时间小于10ms。2图13 上电复位电路原理图图14 单片机复位电路本电路图可以实现手动复位4.5 总体电路图图155 系统调速程序设计5.1 编程软件采用Keil uVision3，这是KEIL公司的单片机编译、仿真、调试的集成环境5.2 编程模块5.2.1 中断程序部分通过键盘改变PCA里的值，设置每隔一定时间向PCA里送值，一般每隔20ms向PCA送值一次，如果定时器不重装，送往PCA里的数值就会送的太快或者太慢，所以必须让定时器每隔一定时间重装。这里选择定时器0。85.2.2 键盘部分和显示部分键值寄存器Key 地址01H 复位值00H Key 表示被压按键的键值当Key=0 时表示没有键被压按。闪烁控制寄存器FlashOnOff 地址0CH 复位值0111B/0111B 高4 位表示闪烁时亮的时间。低4 位表示闪烁时灭的时间改变其值同时也改变了闪烁频率也能改变亮和灭的占空比。FlashOnOff的1 个单位相当于150 250ms 亮和灭的时间范围为1 16 0000B 相当1 个时间单位所有象素的闪烁频率和占空比相同。4设置Key=0到13这14个值，0到9为数字键，用于输入转速，10，11，12分别用于控制正转，反转和停止，按键13为确认键。 5.3 程序框图5.3.1 定时器中断程序框图图16 185.3.2 键盘和显示模块流程图图17 键盘和显示模块流程图5.4 实现功能通过键盘调节转速，占空比0-100%可调；显示转速；调节电动机正转和反转。6 设计方案2这是个闭环系统如下图，给定速度，通过反馈检测速度，比较调节，自动根据PID算法改变占空比使输出在给定的速度值上稳定，所以对电路和程序要做一定的改动。 图18 电机转速闭环控制图6.1 电路设计为了实现对转速的检测，本文设计了一个测速装置如图19，在电机的轴上加一个圆盘，上面根据一定的精度要求刻有数量一定的缝，当光线通过缝隙时，光电开关接受到光，输出低电平；当光线被遮挡时，光电开关输出高电平。当盘子随着电机转动时，光电开光交替导通与截止，光电开关的开关频率除以缝的数目即是电机的转速。在图的右下角加了一个光电开关电路，通过程序设置可达到控制转速的作用，当转速小于设定值时，则通过程序自动把占空比增加，使转速增加，直到达到设定值；当转速大于设定值时，则通过程序自动把占空比减小，使转速减小，直到达到设定值。图19 电机转速测速盘电路设计如图20所示：图20其中放大的光电开关电路部分如图21图21可以看出，左边方框就是光电开关，右边是施密特触发器，进行波形整形，把波形变规则。6.2 程序框图5 图20设计思想为通过给定转速，检测转速，按照PID算法自动调节占空比，使转速稳定，如果转速达到给定值，则显示出来，如果没有，则继续按照PID算法调节占空比，直到转速达到给定值为止。57 操作说明把计算机的串口通过串口线和单片机的串口连在一起，上电，把调速程序下载到单片机中，然后复位单片机，运行程序，按照方案1操作，按键盘的10，11，12号键控制电机的正转，反转和停止，然后按0到9输入转速值，控制占空比的变化来调节转速。按照方案2，按键盘的1号键增加电动机的转速；2号键减小电动机的转速；3号键实现电动机正转，4号键实现电动机反转，按5号键电动机停止。