基于單片機(jī)的直流電動機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-12-22 19:48 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 法，本系統(tǒng)具有功率器件體積小，功率大，損耗低，控制靈活簡單，效率高的特點(diǎn)。 2 直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 PWM 調(diào)速裝置是利用大功 率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開時間的長短，通過改變直流伺服電動機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。占空比越高轉(zhuǎn)速越快，反之亦然。因此，這種裝置又稱為開關(guān)驅(qū)動裝置， PWM 控制的示意圖，如圖 1 所示。 圖 1 本文僅供參考 2 這是一個直流降壓斬波電路。電壓平均值 Ud可用下式表示為 Ud=E*ton/(ton+toff)=E*ton/T=α E （ 1） ,式中 ton — 開關(guān)每次接通的時間； T — 開關(guān)通斷的時間周期；α — 占空比 ，α = ton /T 。由此電路得到的電動機(jī)兩端的電壓波形，如圖 2 所示。 t o nt o f fE tu dT 圖 2 在他勵直流電動機(jī)中，有 Ea=UaIaRa（ 2），式中 Ua— 電機(jī)的端電壓， Ua=UIaRΩ， 當(dāng) Ia=0或RΩ=0 時 ， Ua=U。若忽略電阻壓降 IaRa，并考慮 Ea=Ceф n,則式（ 2）變?yōu)?n≈ Ua/Ceф （ 3）。 由 (1),(3)兩式可見，改變開關(guān)接通時間 ton 和開關(guān)周期 T 的比例亦即改變脈沖的占空比，電動機(jī)兩端的電壓平均值也隨之改變，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與端電壓成正比，而 端電壓與占空比成比例。因而電動機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。改變占空比有兩種調(diào)制方法：一種是開關(guān)周期恒定，通過改變導(dǎo)通脈沖寬度來改變占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation ，縮寫為 PWM）；另一種方式為導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)頻率 ( f = 1/T ) 來改變占空比，亦即脈沖頻率調(diào)制（ Pulse Frequency Modulation ，縮寫為 PFM）。 [1]由于 PFM 控制是依靠脈沖頻率來改變占空比的，當(dāng)遇到某個特殊的頻率下的機(jī)械諧振時，常導(dǎo)致系統(tǒng)震動和出現(xiàn)嘯叫聲，這一嚴(yán)重 的缺點(diǎn)導(dǎo)致 PFM 控制在伺服系統(tǒng)中不適用。目前，在直流電動機(jī)的控制中，以 PWM 控制方式為主。 根據(jù)以上原理，本系統(tǒng)采用鍵盤輸入轉(zhuǎn)速給定，按照 PID算法自動調(diào)節(jié)占空比，縮短過渡過程、穩(wěn)定速度。本設(shè)計(jì)將 占空比為 1 時 Ud 對應(yīng)轉(zhuǎn)速最大值，這樣調(diào)節(jié)占空比就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速由最大到最小的調(diào)節(jié)。比如可以將一開機(jī)占空比初值設(shè)置成 50%，轉(zhuǎn)速設(shè)置成最高的一半，則可以通過調(diào)節(jié)占空比，使轉(zhuǎn)速可以在設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這個設(shè)置在編制程序中設(shè)定。 3 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成 該直流電動機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)由上位機(jī)（ PC 機(jī)） 、單片機(jī) P89V51RD功率集成電路芯片 L298 和直流電動機(jī)組成，如圖 3 所示。在整個 PWM 調(diào)速器中， PC 機(jī)作為主控制器，其上運(yùn)行控制主程序，提供用戶界面，并且根據(jù)系統(tǒng)提供的信息將電動機(jī)運(yùn)行的指令（速度值）下達(dá)給單片機(jī)。單片機(jī)作為底層控制器，運(yùn)用一定的控制算法完成電動機(jī)的速度控制。 本文僅供參考 3 MV s sP 2 . 1P 1 . 5P 2 . 01 E N1 A 11 A 2V c cP 8 9 V 5 1L M 2 9 8上位機(jī) 圖 3 4 設(shè)計(jì)方案 1 根據(jù)給定轉(zhuǎn)速，通過查表或者計(jì)算，得到對應(yīng)的占空比，進(jìn)行改變轉(zhuǎn)速。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速 n=f(u), u=α E,由這兩個關(guān)系式可以推導(dǎo)出 α =G(n)，當(dāng)從鍵盤輸入轉(zhuǎn)速時就可以由α =G(n)解出對應(yīng)占空比的值，就可以向單片機(jī)的 PWM寄存器中送入 256*α的值，這樣就從單片機(jī)的 PWM模塊中輸出了占空比為α的 PWM 波，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為給定值。這種情況是理想的情況，當(dāng)電機(jī)負(fù)載或者電壓 E 發(fā)生變化，α =G(n)就會發(fā)生變化，這時通過計(jì)算或者查表得出的占空比就和實(shí)際情況發(fā)生偏差，這時電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會偏離給定的轉(zhuǎn)速。 這種方案控制簡單，實(shí)現(xiàn)容易，但是只適用于轉(zhuǎn)速控制精度不高和負(fù)載變化不大的情況。 主控電路設(shè)計(jì) 采用 P89V51RD2單片機(jī)為主控芯片，可以 將編好的程序通過計(jì)算機(jī)串口下載到芯片中，而不必通過編程器下載。芯片內(nèi)部含有 flash和 RAM，無須擴(kuò)展外部存儲器，使用方便。而且含有 pwm模塊，適合輸出 PWM波，簡單方便。 P89V51RD2概述 P89V51RD2是一款 80C51微控制器，包含 64kB Flash和 1024字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM。 Flash程序存儲器支持并行和串行在系統(tǒng)編程（ ISP）。并行編程方式提供了高速的分組編程（頁編程）方式，可節(jié)省編程花費(fèi)和推向市場的時間。 ISP允許在軟件控制下對成品中的器件進(jìn)行重復(fù)編程。應(yīng)用固件的產(chǎn)生 /更新能力實(shí)現(xiàn)了 ISP的大范圍應(yīng)用。 [2] 特性 80C51核心處理單元； 5V的工作電壓，操作頻率為 0～ 40MHz； 64kB的片內(nèi) Flash程序存儲器，具有 ISP（在系統(tǒng)編程）和 IAP（在應(yīng)用中編程）功能； 通過軟件或 ISP選擇支持 12時鐘（默認(rèn)）或 6時鐘模式； SPI（串行外圍接口）和增強(qiáng)型 UART； PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列），具有 PWM和捕獲 /比較功能； 4個 8位 I/O口，含有 3個高電流 P1口（每個 I/O口的電流為 16mA）； 3個 16位定時器 /計(jì)數(shù)器； 可編程 看門狗定時器（ WDT）； 本文僅供參考 4 8個中斷源， 4個中斷優(yōu)先級； 2個 DPTR寄存器； 低 EMI方式（ ALE禁能）； 兼容 TTL和 CMOS邏輯電平； 掉電檢測； 低功耗模式 掉電模式，外部中斷喚醒； 空閑模式； [3]
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