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基于單片機的轉速控制器設計-文庫吧

2024-08-08 17:49 本頁面


【正文】 電機轉速進行控制。 當今,自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展,而直流調速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產中起著主要作用。長期以來,直流電 動機因其具有調節(jié)轉速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內平滑調速、控制性能好等特點,在傳動領域占有一定的地位。 直流電機脈沖寬度調制 (Pulse Width Modulation簡稱 PWM)調速產生于 20 世紀 70 年代中期,最早用于自動跟蹤天文望遠鏡、自動記錄儀表等的驅動,后來由于晶體管器件水平的提高及電路技術的發(fā)展 , PWM 技術得到了高速發(fā)展 ,各式各樣的脈寬調速控制器,脈寬調速模塊也應運而生,許多單片機也都有了 PWM 輸出功能。 隨著單片機的不斷推陳出新,特別是高性價比的單片機的涌現(xiàn),轉速測量控制普遍采用了以 單片機為核心的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。電動機的數(shù)字控制是電動機控制的發(fā)展趨勢,用單片機對電動機進行控制是實現(xiàn)電動機數(shù)字控制系統(tǒng)的最常用手段。 設計任務 用霍爾傳感器測量電機轉速,把霍爾傳感器的輸出信號送入單片機,在單片機上編寫轉速計算程序、顯示程序、控制程序,通過 PWM 方式控制直流電機調速, 利用 l298 驅動芯片驅動直流電機, 用 LCD 液晶顯示器顯示電機 轉速。 技術參數(shù): (1)轉速誤差小于 5% (2)環(huán)境溫度 20℃ 55℃ 研究內容及可行性分析 研究內容 本 課題 介紹的 直 流電機轉速測量與轉速控制 以單片機和 霍爾 傳感器為核心?;魻?傳感器將不同 電機 速轉變成的不同頻率的脈沖信號 ,把該信號送 入到單片機進行控制與計算 及處理 , 并用 PWM 調速系統(tǒng)對轉速進行控制,即利用單片機產生占空比可調的矩形波對 電機的轉速進行控制, 直流電機的驅動采用驅動芯片L298 對直流電機 進行驅動,最后 采用 LCD 液晶顯示器 進行 轉速與占空比 顯示,使得 直流電機的轉速 能直觀的顯示給使用者。 基于單片機的轉速控制器設計 3 可行性分析 本系統(tǒng)由 脈沖 (轉速) 信號 采集 電路 模塊 、單片機 AT89S51 模塊 、 電機驅動電路模塊、 LCD 液晶 顯示模塊和系統(tǒng)軟件 模塊五部分 組成。 該設計能實時地將所測的速度顯示出來,主要是將 霍爾 傳感器 感應出來的電機轉速信號 ( 霍爾 傳感器將不同 電機轉 速轉變成不同頻率的脈沖信號) 送入單片機,通過傳感器采集到的信號, 然后通過單片機計算出 電機的轉速 ,利用單片機產生占空比可調的PWM 波送入直流電機的驅動模塊對電機的轉速進行控制 從而實現(xiàn)電機的調速 ,最后 將所得的 轉速 數(shù)據(jù)由 LCD 液晶 顯示模塊顯示 出來 。 2 系統(tǒng)設計理論基礎 轉速測量 方法 轉速測量的方法有測周法 (T 法 )、測頻法 (M 法 )和測頻測周法 (M/T)法 等 [1]。 綜合三種轉速測量的方法 ,本設計采用測頻法進行轉速測量。即把 轉速信號送入單片機進行計數(shù)與處理。 即在單片機內 通過定時器 定時 1 秒, 把轉速信號從外部中斷送入,并設置為下降沿中斷,對 一秒內送入的 轉速 信號的下降沿次 數(shù)進行計數(shù) , 下降沿的次數(shù)是多少, 即信號的頻率就是多少,然后根據(jù)公式將轉速計算出來即可得到 電機轉速 。 測頻法( M 法) 在一定測量時間 T 內,測量脈沖發(fā)生器(替代輸入脈沖)產生的脈沖數(shù) m1來測量轉速。如圖 21 所示 [1]。 圖 21 “ M“法測量轉速脈沖 設在時間 T 內, 所得的脈沖個數(shù)有 m1個 ,則轉速 n 可由下式表示: TPmn 160? ( 21) n轉速單位:(轉 /分); T定時時間單位:(秒); m1 是指單位時間內 計數(shù)器計得 脈沖的個數(shù)。 設時間 T 為 1 分鐘,電機轉 一圈的脈沖數(shù) P 為 1,則電機的轉速 n=60m1。 基于單片機的轉速控制器設計 4 電機轉速信號采集方案 霍爾 開關 測量方案 霍爾傳感器是利用霍爾效應進行工作的,其核心元件是根據(jù)霍爾效應原理制成的霍爾元件。由霍爾效應原理知:霍爾片處于磁場中,并在垂直于磁場的方向上通以電流時,霍爾片上與電流和磁場垂直的方向會產生霍爾電勢差 V=KBI,當通過霍爾片的電流恒定不變時,改變磁場的大小,可以改變霍爾電勢差?;魻栭_關 原理圖如圖 22 所示。 ( a) 霍爾開關 外形圖 ( b) 霍爾效應原理示意圖 圖 22 霍爾 開關 原理圖 如 圖 22( b)所示,通電半導體放在均勻磁場中,在垂直于電場和磁場的方向產生橫向電場,這種現(xiàn)象稱霍爾效應。在長為 L,寬為 b,厚為 d 的半導體薄片上,沿長度與寬度方向的四個端面上分別制作電極。在長度方向( x 方向上)施加磁感應強度為 B 的磁場,在寬度方向( y 方向上)產生電位差,即產生橫向電場,稱為霍爾電場 EH。相應的霍爾電勢為 UH。 當電子運動速度為 u 時,電子電荷量為 q0( q0=)。 磁場 B 作用產生的磁場力為: FH=q0uB (22) 基于單片機的轉速控制器設計 5 電場 EH作用產生的力為: FE= q0 EH (23) 式中: EH=UH/b。 傳感器測轉速方案 確定 因為霍爾傳感器結構簡單,測量裝置體積小,量程大,環(huán)境適應能力強,霍爾元件輸出的信號無需經(jīng)過放大,可以直接整形后送入單片機進行處理而 計算 得到電機轉速 。 并且根據(jù)本系統(tǒng)的設計任務要求,所以本系統(tǒng)采用霍爾傳感器對信號進行檢測。本系統(tǒng)方案使用 CS3020 開關型霍爾傳感器,將霍爾傳感器放置在直流電機的附近,當電機轉動時,霍爾傳感器靠 近電機上的磁鋼感應轉速信號輸出脈沖,由于是開關式的霍爾傳感器,所以采集的信號直接就可以直接送給單片機,經(jīng)單片機處理之后,由 LCD 進行顯示 轉速 。 直流電機調速方法 直流電機的轉速 n 的表達式 [20]為 ?KIRUn ?? (24) 式中 U— 電樞端電壓; I— 電樞電流; R— 電樞電路總電阻; ? — 每極磁通量; K— 電機結構參數(shù)。 由式( 24)得, 電機轉速與電樞電壓成正比例關系, 可通過對電樞 電壓進行控制的電樞控制法對電機的轉速進行控制。本設計采用在勵磁恒定不變的情況下,通過調節(jié)電樞電壓來實現(xiàn)調速。 PWM 調速設計 電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下,把控制電壓信號加到電機的電樞上,以控制電機的轉速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻,通過調節(jié)電阻改變電樞電壓,達到調速的目的,這種方法效率低、平滑度差,由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率,因而經(jīng)濟效益低,而且轉速越慢,能耗越大 [15]。隨著電力電子的發(fā)展,出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法 。 對直流電機電樞電壓的控制和驅動中又可分為線性 放大驅動方式和開關驅動方式。本設計采用開關驅動方式,通過 PWM 脈寬調速系統(tǒng) 來控制電動機電樞電壓, 利用電樞電壓與電機轉速之間的關系 實現(xiàn)調速。 脈寬調速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開,并通過改變一個周期內 “ 接通 ” 和 “ 斷開 ” 時間的長短,即改變直流電機電樞上電壓的 “ 占空比 ”來改變平均電壓的大小,從而控制電動機的轉速, 所以 , PWM 又被稱為 “ 開關驅動裝置 ” 。 基于單片機的轉速控制器設計 6 如圖 23 利用開關管對直流電機進行 PWM 調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形。在圖 23(a)中,當開關管 MOSFET 的柵極輸入高電平時,開關管導通,電 樞電壓為 Us, t1 秒后,柵極輸入變?yōu)榈碗娖?,開關管截止,電樞電壓 Us 為 0,t2 秒后,柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?,重復前面的過程,這樣對應著輸入的電平高低,電樞兩端的電壓波形如圖 23( b)所示。其電樞兩端電壓的平均值為 U0 為[20]: UsUsTtttUstU ???? ?? 121 010 ( 25) 式中 ? 為占空比。 ( a) 原理圖 ( b)輸入輸出電壓波形 圖 23 PWM 調速控制原理和電壓波形 根據(jù) 式 (24)、 (25),改變占空比 ? ,可以得到不同的電機速度,從而達到調速的目的 [15]。 PWM 信號的產生通常有兩種方法 :一種是軟件的方法;另一種是硬件的方法。本系統(tǒng)采用軟件方法。 基于單片機由軟件來實現(xiàn) PWM:改變占空比的值有以下三種方法 [20]。 : A、定寬調頻法:保持 1t 不變,只改變 t2,這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。(圖23) B、調寬調頻法:保持 t2不變,只改變 1t ,這樣使周期 (或頻率 )也隨之改變。(圖23) C、定頻調寬法:保持周期 T(或頻率 )不變,同時改變 1t 和 t2。(圖 23) 基于單片機的轉速控制器設計 7 前兩種方法在調速時改變了控制脈沖的周期 (或頻率 ),當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時,將會引起振蕩,因此常采用定頻調寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。利用單片機的定時計數(shù)器外加軟件延時等方式來實現(xiàn)脈寬的自由調整,此種方式可簡化硬件 電路, 有 操作性強等優(yōu)點。 直流電機驅動方案選擇與論證 方案一:采用繼電器對電動機的開或關進行控制,通過開關的切換對電機的速度進行調整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案二: 采用集成芯片 L298N 驅動。它 是恒壓恒流雙 H 橋集成電機芯片,輸出電流可達到 2A,通過改變芯片控制端的輸入電平,即可以對電機進行轉速控制,很方便單片機的操作,且此芯片內有兩個驅動,只用一片就可以驅動兩個直流電機,既方便,電路又簡單,且驅動力強。 方案三:利用三級管驅 動,但是 三級管的驅動電壓比較高 ,而單片機輸出地信號的幅度只有 5V 左右,所以還要進行放大,比較麻煩。 鑒 于方案二 電路比較簡單,容易實現(xiàn),且驅動力強 、過載能力大 ,因此本設計采用方案二。即采用驅動芯片 L298N 對電機 進行驅動。 L298 引腳及功能說明 [19] 圖 24 L298 芯片管腳 本系統(tǒng)設計了基于 L298 芯片的直流電機調速系統(tǒng)硬件電路。 L298 內部包含 4 通道邏輯驅動電路 ,即內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器 ,接收標準 TTL 邏輯電平信號 ,可驅動 46V、 2A 以下的電機。由 L298 構成的 PWM 功率放大器的工作形式為單極可逆模式 ,2 個 H 橋的下側橋晶體管發(fā)射極連在一起 ,其引腳排列如圖 25 所示 ,1 腳和 15 腳可單獨引出連接電流采樣電阻器 ,形成電流信 號。 L298 可驅動 2 個電機 , OUTl、 OUT2 和 OUT OUT4 之間分別接 1 個電動機。 12 腳接輸入控制電平 ,控制電機的正反轉 ,ENA、 ENB 接控制使能端 ,控制電機的停轉。這些特性使得 L298 很適合用作小型直流電機控制芯片 [19]。 其 L298 的功能如表 21 所示。 基于單片機的轉速控制器設計 8 表 21 L298功能 表 EnA In1 In2 運轉狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正傳 1 0 1 反轉 1 1 1 急停 1 0 0 停止 注: EnA — L298 驅動芯片使能端; In In2— L298 驅動芯片輸入端。 3 系統(tǒng)方案設計與論證 方案一 通過線性式霍爾傳感器對電機轉速進行感應,產生不同的轉速有不同頻率的非矩形 脈沖信號,所以要通過放大整形電路將轉速信號處理變?yōu)閱纹瑱C要求的信號,然后將該信號送入單片機進行處理、計數(shù),并通過 PWM 控制原理對電機的轉速進行控制 。 方案二 通過開關式霍爾傳感器對電機轉速進行感應,不同的轉速 產生 不同頻率的脈沖信號,信號 峰峰值足夠大的話可以 直接送入單片機進行處理、計數(shù),并通過PWM 控制原理對電機的轉速進行控制,最后用 LCD 液晶顯示器顯示電機的轉速。 方案選擇 綜合方案一與方案二的分析,方案一中由于 線性 霍爾傳感器 的輸出信號不是矩形波 , 故此 要通過處理后才
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