直流电机驱动与控制电路设计报告.doc

沈阳航空航天大学 综 合 课 程 设 计直流电机驱动与控制电路设计班 级 34020102 学 号 2013040201072 学 生 姓 名 马铭志 指 导 教 师 张述杰 课 程 设 计 任 务 书课程设计的内容及要求：一、设计说明利用AT89C51单片机作为主控部分设计一款直流电机驱动与控制电路，直流电机转速可控。1以电位器调节电机转速。 2电机驱动信号占空比调整电路占空比可以从20%80%。3A/D转换使用模数转换芯片ADC0808实现；4此控制系统电机工作驱动电路需要自己设计；二、设计要求1在选择器件时，应考虑成本。2根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用Proteus软件仿真。2进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1. 童诗白，华成英主编模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，2014年五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：指导教师签字： 日期：成 绩一、概述当今社会，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，利用PWM脉宽调制控制电机，采用OP07精密运放集成电路设计简易有缘滤波器，利用2N2222A三极管设计驱动电路驱动直流电机，其中电机的设定速度由电位器经A/D转换芯片ADC0808通过输入。另外，PWM直流电机调速控制电路以其控制简单，灵活和动态响应好的特点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速的无级变速控制，系统具有控制电机开启、停止和转速调节的功能。具有一定的实际应用意义。关键字：直流电机、51内核、PWM脉宽调制、OP07、2N2222A二、方案论证设计一款直流电机驱动与控制电路，直流电机转速可控。利用单片机作为主控部分，以电位器调节电机转速。电机的设定速度由电位器经A/D通过输入通过PWM调制实现对电机转速的调节。电位器调速A/D转换电路滤波电路驱动电路单片机AT89C51图1 直流电机驱动与控制电路的原理框图方案原理框图如图1所示。三、电路设计1.电位器调节电路电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这时电位器是一个三端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节，电位器是一种可调的电子元件。图2为电位器调节部分的电路原理图。图2 电位器调节电路原理图由图2可见其即是通过简单的分压原理实现的。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的输出电压。2.A/D转换电路随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等)，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路-模数和数模转换器。A/D转换器的功能是把模拟量变换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的3 1/2位。5 1/2位等。按照转换速度可分为超高速(转换时间330ns),次超高速(3303.3s),高速(转换时间3.3333s)，低速(转换时间330s)等。A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型(积分型),电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，且能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关。基准电压源。时钟电路。译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D转换功能，使用十分方便。本设计将电位器分压所得模拟量通过A/D转换芯片转换为相应的数字量。图3为相应的A/D转换电路原理图。图3 A/D转换电路原理图由图3可见本设计应用ADC0808作为模数转换芯片实现模拟量向数字量的转换。转换完成后ADC0808输出的数字量被送入C51单片机P1口进行处理。输出的PWM占空比有所得数字量决定，从而实现以电位器调节单片机P3.7输出PWM占空比的功能。可将输出PWM经过后续处理实现对直流电机转速的调节。ADC0808和ADC0809除精度略有差别外(前者精度为8位、后者精度为7位)，其余各方面完全相同。它们都是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。ADC0808/0809的外部引脚和内部结构分别如图4和图5所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述图4 ADC0808/0809外部引脚图（PDIP/PLCC Package）图5 ADC0808/0809内部结构框图由图5内部结构图易知ADC0808的2325脚为三位地址选择端（3-Bit Address），由图3可见电位器滑片端与ADC0808的输入通道IN0相连，对应2325脚应接电平“000”，原理图中对应此三脚接地，实现IN0通道的寻址。3.滤波电路有源滤波电路的负载不影响滤波特性，因此常用于信号处理要求高的场合。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用，同时还可以进行放大。但电路的组成和设计也较复杂。有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合，只适用于信号处理。根据滤波器的特点可知，它的电压放大倍数的幅频特性可以准确地描述该电路属于低通、高通、带通还是带阻滤波器，因而如果能定性分析出通带和阻带在哪一个频段，就可以确定滤波器的类型。识别滤波器的方法是：若信号频率趋于零时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于无穷大时电压放大倍数趋于零，则为低通滤波器；反之，若信号频率趋于无穷大时有确定的电压放大倍数，且信号频率趋于零时电压放大倍数趋于零，则为高通滤波器；若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数均趋于零，则为带通滤波器；反之，若信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数具有相同的确定值，且在某一频率范围内电压放大倍数趋于零，则为带阻滤波器。图6所示为简易的低通滤波器，接于单片机与驱动电路之间，用于消除单片机输出PWM中的高频噪声干扰。图6 滤波电路原理图在单片机与有源滤波电路之间加一个简单的放大电路对单片机输出PWM进行初步的放大，同时此放大电路呈现高输入电阻、低输出电阻，从而起到隔离作用，如图6中前级电路所示。在研究放大电路的频率响应时，由于信号的频率范围很宽（从几赫到几百兆赫以上），放大电路的放大倍数也很大（可达百万倍），为压缩坐标，扩大视野，在画频率特性曲线时，频率坐标采用对数刻度，而幅值（以dB为单位）或相角采用线性刻度。在这种半对数坐标中画出的幅频特性和相频曲线称为对数频率特性或波特图。将图6所示电路在Multisim中进行仿真，其波特图如图7所示。图7 低通滤波电路波特图由图7易见该低通滤波电路的截止频率在16kHz左右。以正弦波作为输入信号，控制其幅值为5V，将其接入低通滤波电路INPUT端，并用双踪示波器对滤波电路OUTPUT端输出波形进行观察，输入正弦波频率为200Hz和16kHz对应输出波形分别如图8和图9所示。图8 输入200Hz正弦波对应输出波形图9 输入16kHz正弦波对应输出波形由图8和图9可见当该低频滤波电路输入信号频率较低时，电路对输入信号有放大作用，而当高频信号通过电路时则出现明显的衰减。4.驱动电路本电路采用NPN型三极管2N2222A连接成简易二级放大电路，其输出电流供给于直流电机，如图10所示。图10 直流电机驱动电路原理图三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管（BJT）、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号， 也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。2N2222A三极管为NPN型三极管，其简化外观及符号如图11所示。图11 2N2222A简化外观及符号将图10所示放大电路在Multium中进行仿真，将电流表串入输入回路和输出回路，可见电路对输入电流明显的放大作用。如图12所示。图12 输入与输出电流对应电流表示数 5.程序设计本设计主要是将电位器输出分压的模拟量通过ADC0808转换为相应的数字量后送给单片机对其进行处理，单片机主要负责将AD转换结果转换为输出PWM对应的占空比从而实现对电机转速的控制，其次单片机P2.4脚以中断的方式产生方波信号为ADC0808提供时钟信号。其程序流程图如图13所示。初始化开始启动AD转换转换结束(P2.6=1)读取AD转换结果PWM输出否是设置计数初值进入中断对P2.4取反中断返回图13 程序流程图四、仿真结果对所设计电路在Proteus 8 Professional软件中进行仿真，通过调节电位器滑片位置以控制直流电机的转速。本设计中，当滑片所接入电阻的阻值较小时（如1%），直流电机处于低速运转状态，对应电机转速较慢；相反，当滑片所接入电阻的阻值较大时（如99%），直流电机处于高速运转状态，对应电机转速较快。对于静态仿真图，无法判断直流电机转速快慢，但也可通过间接的方式，如电位器分压对应AD转换结果来间接判断流过直流电机电流的大小，从而可间接判断出电机转速。直流电机低速运转与高速运转仿真原理图分别如图14及图15所示。图14 直流电机低速运转仿真原理图图15 直流电机高速运转仿真原理图对于本设计滤波电路与驱动电路部分的仿真是在Multisim软件中进行的，其仿真结果已在前有相应说明，此处不再赘述。五、结论本系统主要研究了一种基于单片机的直流电机驱动及控制电路的设计。设计采用AT89C51单片机作为控制模块的核心，由分压调节电路、A/D转换电路、滤波电路和驱动电路四个主要部分构成。能够通过对电位器滑片或旋钮的调节实现直流电机的无级变速控制。在系统设计过程中，力求硬件电路简单明了，充分发挥软件部分的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。通过实际测试表明本设计系统的性能优于传统直流电机控制器，具有结构简单、可靠性高、实用性强、性价比高等特点，具有一定的实际应用意义。六、课设体会这次课程设计，我虽然花费了很多时间和精力，但是收获颇多。在本课题的设计和制作以及论文的编写过程中，我得到了老师和同学的一些宝贵意见和大力帮助。在此特别要感谢我的课程设计指导老师:张述杰老师，在我课程设计进行过程中，给了我全面的指导和帮助，不仅为本设计和研究指明了方向，而且提出了宝贵的意见，使我受益匪浅。再次向他们表示衷心的感谢。同时我也是站在巨人的肩膀上才有了此课程设计，也对论文末所附参考文献的作者致以衷心的感谢!经过一个月的努力，本人已完成了本系统的软硬件设计，并通过多次实验和总结，成功地制作出了作品。该产品具有一定的实用性和可观性。经过这次课程设计，我深深体会到了开发一个系统的艰辛，但也体会到实验和实物制作的乐趣。从中我巩固了所学到的专业知识和提高了动手能力。特别是Proteus软件仿真的能力得到了很大程度的提高。还有单片机的运用与程序的编写、Multisim软件仿真及Altium Designer原理图设计及PCB设计，已踏上了一个新的台阶。参考文献1楼然苗等.51系列单片机设计实例.M北京:航空航天出版社,2003.32许泳龙等.单片机原理及应用.M北京:机械工业出版社，2005.13李林功，吴飞青，王兵，丁晓.单片机原理与应用.M北京：机械工业出版社，2008.14束慧，陈卫兵.单片机技术与应用基础.M北京人民邮电出版社，2010.45马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计.M北京:航空航天大学出版社，2004,26李广弟等.单片机基础.M北京:航空航天出版社，2001.77 许维蓥 郑荣焕.Proteus电子电路设计及仿真（第2版），M北京：电子工业出版社，2014年2月8 范海绍 李方园.零起点学Proteus单片机仿真技术，M北京：机械工业出版社，2012年2月.P55-609 孙俊逸 盛秋林 张铮.单片机原理及应用，M北京：清华大学出版社，2012年3月.P28-5210 周润景等.PROTEUS在MCS-51&ARM7系统中的应用百例. 电子工业出版社.2006年10月附录I 总电路图附录II 封装图附录III 元器件清单序号编号名称型号数量1U1 单片机AT89C5112U2 A/D转换芯片ADC080813U3 U4 运算放大器OP0724Q1 Q2三极管2N2222A25R1 R2 电阻R=1k26R3 R4电阻R=10k27R5电阻R=20018C4电容C=1nF19MG1直流电机MOTOR AC110RV1电位器RESER1