【正文】 分類號(hào)：TM301 U D C：D10621408(2012) 21640密 級(jí)：公 開(kāi) 編 號(hào)：200807143成都信息工程學(xué)院學(xué)位論文小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)就是基于PWM信號(hào)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，以MC9S12XS128單片機(jī)為系統(tǒng)控制的核心，以驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960組成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，并實(shí)時(shí)的測(cè)量電機(jī)的實(shí)際速度，并把該速度信息在LCD1602上顯示，組成了一個(gè)小型的閉環(huán)的小功率直流電機(jī)調(diào)速的系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的穩(wěn)定和快速，PWM控制方式配合BTS7960電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)小功率直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)速是較好的調(diào)速系統(tǒng)解決方案。其中BTS7960內(nèi)部集成兩路H橋式驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)中利用XS128單片機(jī)控制其產(chǎn)生的PWM信號(hào)占空比大小，和采用光電碼盤采集的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)進(jìn)行調(diào)速。在LCD1602液晶上顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速和設(shè)置的轉(zhuǎn)速，將當(dāng)前轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)與設(shè)置轉(zhuǎn)速比較，以確定MC9S12XS128單片機(jī)給加速信號(hào)還是減速信號(hào)，直到兩者的速度相等后保持這個(gè)速度穩(wěn)定運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)中編寫了XS128調(diào)速程序、鍵盤輸入程序、測(cè)速程序；編寫了C51的鍵盤輸入程序、LCD1602顯示程序。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)調(diào)速效果良好，測(cè)速比較精確，能夠快速的使電機(jī)的轉(zhuǎn)速以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)用的元器件比較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，便于應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；PWM；閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；液晶顯示The Design Of LowPower DC Motor Speed Control System AbstractThis paper introduces the design of DC motor speed control, which based on the PWM signal. The core of the control system is MC9S12XS128 microcontroller which can drive module that is made of BTS7960 driver chips. The system measures the actual speed of the motor at any time and shows the speed information on the LCD1602. The system is a small, lowpower DC motor speed control. In order to make the motor speed stable, the PWM control with the BTS7960 driver chips is a good solution to drive the motor and speed control. The BTS7960 includes the two Hbridge driver circuit. In this system the size of the PWM signal which is controlled by the XS128 microcontroller and the motor speed signal which is acquired from optical encoder controls the speed of motor. LCD1602 displays the current speed and set speed. The system counts the current speed as the feedback signal. The feedback signal is pared to the preset speed, which determines the signal of MC9S12XS128 microcontroller. The signal of XS128 microcontroller is not stop until that the actual speed and the preset speed are same. This system includes XS128 speed control program, the keyboard input program, velocity program。 the C51 keyboard input program, the LCD1602 display program. After testing, the system controls the speed of motor well. The measuring speed is more accurate. The system is able to make the motor speed stably rotate in the preset speed. The ponents which used are not many. The design has a simple structure. The system maintains easily, which is easy to apply it to the actual industrial production.Keywords: Microcontroller。 PWM。 Closedloop speed control。 LCD目 錄 論文總頁(yè)數(shù)：48頁(yè)1 引言 1 1 1 硬件部分 1 軟件部分 1 22 方案研究與主要芯片選擇 2 總體方案原理及設(shè)計(jì)框圖 2 主控芯片的選擇與論證 3 顯示設(shè)備的選擇與論證 4 驅(qū)動(dòng)模塊選擇 63 硬件電路設(shè)計(jì) 7 單片機(jī)控制模塊單元電路設(shè)計(jì) 7 7 C51單片機(jī) 13 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) 13 測(cè)速電路設(shè)計(jì) 14 液晶顯示電路設(shè)計(jì) 14 電源電路的設(shè)計(jì) 16 按鍵輸入電路的設(shè)計(jì) 16 174軟件設(shè)計(jì) 19 19 20 XS128工作的程序設(shè)計(jì) 20 按鍵模塊的程序設(shè)計(jì) 23 顯示模塊的程序設(shè)計(jì) 24 調(diào)速模塊的程序設(shè)計(jì) 255軟硬件調(diào)試模塊 26 C51單片機(jī)模塊程序的調(diào)試 26 26 27 XS128單片機(jī)程序的調(diào)試和仿真 27 XS128程序的調(diào)試 27 28 小功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的使用方法 29 調(diào)速中的誤差的分析 30 方案改進(jìn) 32結(jié) 論 32參考文獻(xiàn) 34致 謝 35聲 明 37附 錄 38 1 引言在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，由電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械組成的系統(tǒng)稱為電力拖動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)是其重要的組成器件，電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為生產(chǎn)機(jī)械提供動(dòng)力，是生產(chǎn)機(jī)械的原動(dòng)力，是生產(chǎn)機(jī)械的原動(dòng)機(jī)，為生產(chǎn)提供了動(dòng)力[1]。直流電機(jī)傳動(dòng)效率高、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)便，因而得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，特別是在現(xiàn)在的工業(yè)企業(yè)中，幾乎所有的生產(chǎn)機(jī)械都是由電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)的，例如各種機(jī)床、各種生產(chǎn)線、風(fēng)機(jī)、水泵，等等?？梢院敛豢鋸埖恼f(shuō)，沒(méi)有電動(dòng)機(jī)、沒(méi)有直流電機(jī)，就沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)。這樣，電動(dòng)機(jī)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中得重要作用就不言而喻了，所以說(shuō)電動(dòng)機(jī)在的日常的生活中是必不可少的。所以設(shè)計(jì)中非常有必要研究一下直流電機(jī)。電動(dòng)機(jī)是主要的動(dòng)力設(shè)備，直流電動(dòng)機(jī)就是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，由于在需要用到變速的場(chǎng)合有很多的應(yīng)用，所以需要滿足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求。這就使研究直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速變的非常有意義，對(duì)日常的生活也有很大的幫助[2]。 硬件部分首先確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電路，以及控制驅(qū)動(dòng)電路的方式。要使其驅(qū)動(dòng)電路工作，則需要給驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)，也就是PWM控制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就得要XS128單片機(jī)產(chǎn)生。這就是要設(shè)計(jì)一下XS128核心控制模塊，還有按鍵輸入預(yù)置轉(zhuǎn)速的模塊。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后需要測(cè)量其速度，這時(shí)要用到測(cè)速的模塊來(lái)測(cè)量其速度，實(shí)際轉(zhuǎn)速來(lái)作為反饋信號(hào)進(jìn)行比較，使XS128單片機(jī)調(diào)節(jié)占空比，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢。測(cè)速以后，本設(shè)計(jì)需要用到顯示模塊來(lái)進(jìn)行顯示預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。 軟件部分 鍵盤輸入預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速程序，通過(guò)按鍵來(lái)給單片機(jī)的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速。一邊給XS128單片機(jī)，一邊給51單片機(jī)。XS128單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)的程序，這個(gè)占空比大小是可調(diào)的，設(shè)計(jì)為鍵盤輸入預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速與當(dāng)前轉(zhuǎn)速相比較由軟件自動(dòng)調(diào)節(jié)，然后產(chǎn)生要求的觸發(fā)信號(hào)去控制電機(jī)按照設(shè)計(jì)中要求的轉(zhuǎn)速工作。C51單片機(jī)控制LCD1602顯示的程序，顯示預(yù)置轉(zhuǎn)速和實(shí)際的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速預(yù)置，速度顯示，速度測(cè)量等基本功能。 本設(shè)計(jì)核心技術(shù)是脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation）控制技術(shù)，該技術(shù)通常簡(jiǎn)稱為PWM控制技術(shù)。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。研究PWM是非常有實(shí)際意義的。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開(kāi)的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼[3]。 2 方案研究與主要芯片選擇 總體方案原理及設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)是基于MC9S12XS128單片機(jī)為核心處理芯片來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，還用到了STC89C51單片機(jī)為輔助顯示模塊。MC9S12XS128電源 鍵盤輸入 測(cè)速驅(qū)動(dòng)設(shè)備顯示裝置調(diào)速，鍵盤輸入轉(zhuǎn)速，來(lái)使控制中心產(chǎn)生PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)模塊，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)模塊，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，測(cè)速模塊實(shí)時(shí)的對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，并把速度反饋給控制核心，與鍵盤輸入轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，然后依次調(diào)節(jié)PWM信號(hào)，使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和鍵盤輸入轉(zhuǎn)速相同。電源為5V和6V，6V電源給驅(qū)動(dòng)電路的BTS7960芯片來(lái)進(jìn)行供電，5V的電源給顯示模塊、MC9S12XS128核心控制模塊、測(cè)速模塊來(lái)進(jìn)行供電。鍵盤輸入模塊是四個(gè)按鍵，分別相當(dāng)于千，百，十，個(gè)位，通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)定轉(zhuǎn)速。測(cè)速模塊實(shí)際就是一個(gè)紅外發(fā)光對(duì)管，通過(guò)測(cè)量高低脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速。驅(qū)動(dòng)模塊是由兩片BTS7960組成的H橋來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。顯示裝置用到了STC89C51單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD1602液晶來(lái)對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速和鍵盤的預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行顯示。調(diào)速模塊通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)進(jìn)行調(diào)速[4]。根據(jù)系統(tǒng)框圖，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中要用到器件選擇，下面是對(duì)各部分單元器件的論證和選擇。 主控芯片的選擇與論證在本設(shè)計(jì)中，主控電路可以用到兩種芯片。 采用MC9S12XS128作為系統(tǒng)的主控芯片。MC9S12XS128控制芯片的介紹：MC9S12XS128是16位單片機(jī)，由16位中央處理單元（CPU12X)、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲(chǔ)器。這要功能模塊包括：內(nèi)部存儲(chǔ)器；內(nèi)部PLL鎖相環(huán)模塊；2個(gè)異步串口通訊SCI；1個(gè)串行外設(shè)接口SPI；1個(gè)8通道輸入/輸出比較定時(shí)器模塊TIM；周期中端定時(shí)器模塊PIT；16通道A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC；1個(gè)8通道脈沖寬度調(diào)制模塊PWM；輸入/輸出數(shù)字I/O口。MC9S12XS128比C51的功能更為強(qiáng)大。MC9S12XS128有豐富的輸入輸出端口資源，同時(shí)集成了多種功能模塊，端 口包括PORTA、PORTB、PORTE、PORTK、PORTT、PORTS、PORTM、PORTP、PORTH、PORTJ、PORTAD共11個(gè)端口。端口引腳大多為復(fù)用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O口功能。MC9S12XS128有著更為豐富的端口資源，XS128的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到24MHz，是系統(tǒng)的定時(shí)變得更加的精確，定時(shí)一分鐘誤差比C51單片機(jī)的定時(shí)一分鐘的誤差要小。 XS128寄存器豐富，便于設(shè)計(jì)中的調(diào)用，包括其PWM信號(hào)的設(shè)定，占空比的調(diào)整，測(cè)速信號(hào)的輸入都比較的方便。在做電機(jī)調(diào)速的方面和C51相比較XS128還是有很大的優(yōu)勢(shì)。該單片機(jī)共有112個(gè)管腳，管腳的資源豐富，便于對(duì)其進(jìn)行控制和編程。 MC9S12XS128引腳圖2. 采用89C51作為