【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 83。29 參考文獻(xiàn) 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 單片機(jī)控制直流 調(diào)速系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 附 錄 31 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 I 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 摘 要 隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，電機(jī)在人們的日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速愈發(fā)的凸顯其重要性。 PWM 控制方法因其相比傳統(tǒng)調(diào)速方法的優(yōu)越性，成為了調(diào)速的新方式 。本文主要研究了基于單片機(jī) AT89S52 進(jìn)行 小型 直流電機(jī)PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并用 Proteus 進(jìn)行仿真。文中 介紹了直流電機(jī)控制方法的發(fā)展，脈寬調(diào)制的原理， AT89S52 的詳細(xì)參數(shù)， LED 數(shù)碼管的顯示方法， L298 驅(qū)動(dòng)電路的使用，利用程序的方法如何輸出 PWM 信號(hào)進(jìn)行占空比調(diào)節(jié)等。 AT89S52 單片機(jī)與 L298 驅(qū)動(dòng)模塊的使用，能夠降低系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成，易于 PC 連接進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，能夠滿(mǎn)足更多場(chǎng)合的使用要求。本設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、換向、停止等的控制，并在 LED 數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示占空比 和轉(zhuǎn)速 。 關(guān)鍵詞 AT89S52/L298/PWM/占空比 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 II The Design Of Direct Current Motor Speed Regulation System Based On SCM ABSTRACT With the development of modern society, the motor in people39。s daily life plays an increasingly important role to control the motor speed, the more highlight its importance. PWM control method because of its superiority pared to traditional speed control method, has bee the new way of the governor. This paper studies the design of PWM DC motor speed control system based on MCU AT89S52, and Proteus simulation. This paper describes the development of the DC motor control method, the pulse width modulation principle, AT89S52 of parameters, LED digital tube display method the L298 driver circuit use, the use of the program how to output PWM signal duty cycle adjustment. AT89S52 micro controller and the L298 driver module for use, can reduce system costs, simplify the system structure, easy PC connection for system upgrades to meet the requirements of more occasions. This design will achieve the motor forward, reverse, mutation, stop control, and display LED digital tube duty cycle and the speed. KEY WORDS AT89S52,L298,PWM,DUTY CYCLE 單片機(jī)控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 1 1 緒論 選題背景 及 意義 直流調(diào)速系統(tǒng)最初的 時(shí)候，通過(guò)保持 直流 電源 電壓向 的恒定，向 直流機(jī)電樞供電，在 電樞回路中的 串入 電阻 ，改變電阻阻值 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速 。雖然 這種方法 簡(jiǎn)便易行 ，價(jià)格便宜 ，設(shè)備制造 容易 ，但缺點(diǎn)是機(jī)械特性軟，效率低 ，沒(méi)有 較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速 的能力 ，所以目前 基本不采用 [1]。 上世紀(jì) 三十年 代末， 發(fā)明了 發(fā)電機(jī) .電動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) ， 由 電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、磁放大器、閘流管等控制器件 組成 ，可 得到 較寬的調(diào)速范圍，優(yōu)良的調(diào)速性能，較小的轉(zhuǎn)速變化率 ，能實(shí)現(xiàn) 調(diào)速平滑 。由于 電動(dòng)機(jī)軸上 存在 飛輪慣量 ， 當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)將 剩下的電能 反饋 回 電網(wǎng) [2]。因此即 可減少能量的損耗，提高效率， 又能 得到平滑的制動(dòng)特性。 但是 發(fā)電機(jī) .電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是 ， 需要增加與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。 隨后 汞弧變流器 的 出現(xiàn)，使調(diào)速性能指標(biāo) 得到了 進(jìn)一步提高， 由此 代替上述發(fā)電機(jī) .電動(dòng)機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng) 。 相比 發(fā)電機(jī) .電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) ， 汞弧變流器 調(diào)速系統(tǒng) 的快速響應(yīng)性 得到極大的提升 。 但是 汞弧變流器 需要用到 水銀蒸汽 ， 維修 時(shí)會(huì) 對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等 ，因此，限制了它的應(yīng)用。 世界上第一只晶閘管 在 1957 年 問(wèn)世 ，晶閘管 從設(shè)計(jì)到用料，決定其 具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性 ， 相比其它變流元件， 具有 響應(yīng)快、體積小、工作可靠等 優(yōu)點(diǎn) [4]。以 晶閘管 為主設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng) ， 不僅在 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上使直流調(diào)速系統(tǒng) 得到提高， 而且在可靠性和 技術(shù) 指標(biāo) 上也顯示出 比 汞弧變流器 調(diào)速系統(tǒng) 很大的優(yōu)越性。 20 世紀(jì) 80 年代中后期， 由于 晶閘管整流裝置 得到成熟發(fā)展，促進(jìn) 直流電 氣傳動(dòng)完成 了 一次大的躍進(jìn) ，隨即 取代了水銀整流裝置及直流發(fā)電機(jī) .電動(dòng)機(jī)組。 同一時(shí)期，控制電路也 得到快速發(fā)展， 實(shí)現(xiàn)了 電路 小型化、可靠性高及高度集成化。 至此， 直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用范圍 越來(lái)越大 ，性能指標(biāo) 越來(lái)越 高，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展 ，都是得益于 晶閘管整流 技術(shù) 的應(yīng)用 [5]。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的 特性，比如 起動(dòng)、制動(dòng)性能 好 ， 能在 大范圍 內(nèi) 平滑調(diào)速，因此 在許多電力拖動(dòng)領(lǐng)域 ， 直流電動(dòng)機(jī) 的 調(diào)速 性能好及 快速正反向的 能力 得到了廣泛的應(yīng)用。 而 電動(dòng)機(jī)的控制 方法也 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，新型電力電子器件的不斷 更新 以及微電子技術(shù) 的進(jìn)步，如 采用計(jì)算機(jī) ，微處理器， DSP 控制器 等，由模擬系統(tǒng)變?yōu)?數(shù)單片機(jī)控制直流 調(diào)速系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 2 字控制系統(tǒng) ，使 電動(dòng)機(jī)控制 更為現(xiàn)代， 得到了 根本上的變化 。 其中，在 經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，全控型功率器件 得到廣泛應(yīng)用，電力電子器件 MOSFET 和 IGBT 的開(kāi)關(guān) 速度更快 ， 控制更 簡(jiǎn)便，更加適合作為 電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng) 部分的功率器件。在交流調(diào)速系統(tǒng)和直流調(diào)速 系統(tǒng) 中 ，以 全控型功率器件 為基礎(chǔ)的 脈寬調(diào)制變頻技術(shù) ， 得到了廣泛應(yīng)用。 通過(guò) 改變電樞回路電阻調(diào)速， 弱磁 調(diào)速等技術(shù) 對(duì)于現(xiàn)在的 直流電機(jī) ， 已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求 ，更加復(fù)雜 的 生產(chǎn)過(guò)程 對(duì)電機(jī) 調(diào)速 性能 要求 更高， 這時(shí) 單片機(jī)技術(shù)的 加入，通過(guò) PWM 方式 控制 直流電機(jī)調(diào)速 ， 因?yàn)榫哂?高可靠性 ，高度 智能 ，符合現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，因此成為以后調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 。 直流電機(jī)已經(jīng)深入人們的生活，在方方面面都有涉及，因此，研究本設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。在家庭方面，電風(fēng)扇，刮胡刀，洗衣機(jī)，空調(diào)；工業(yè)方面，汽車(chē)，機(jī)器人，起重機(jī)，切割機(jī)；軍事方面，火箭，高射炮，雷達(dá)，衛(wèi)星；辦公方面，電腦，打印機(jī)，投影儀，電話(huà)；等等方面，都需要直流電機(jī)的參與。最近一段時(shí)間以來(lái)，雖然高性能交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且有了要取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì)，但是直流調(diào)速系統(tǒng)不僅在理論上成熟，而且在實(shí)踐上 發(fā)展出了各種各樣的變化，十分適應(yīng)現(xiàn)在的發(fā)展需求，目前應(yīng)用范圍還十分廣泛。 單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展 世界 計(jì)算機(jī)發(fā)展史 以 單片機(jī)的誕生 為 一個(gè)新的里程碑。作為單芯片嵌入式系統(tǒng)的核心 ， 單片機(jī) 具有 多功能，高速，多選擇，低價(jià)格，低功耗，強(qiáng)大的 I / O功能和大存儲(chǔ)容量， 可 以提高整個(gè)系統(tǒng)的可行性和可靠性。 新世紀(jì)以來(lái) ，技術(shù) 實(shí)力得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，市場(chǎng) 不滿(mǎn)足現(xiàn)有 產(chǎn)品 的 功能 ，對(duì)性 能的要求不斷提高 ， 尤其是 系統(tǒng) 智能化 、 自動(dòng)化 。 為了能夠適應(yīng) 對(duì)產(chǎn)品越來(lái)越高 的要求，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 以其優(yōu)越的起動(dòng)和調(diào)速 性能等 特點(diǎn) ，得到 越來(lái)越廣泛 的應(yīng)用 ， 特別 是智能機(jī)器人 的青睞 [6]。 早期的直流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)使用模擬的分離裝置，其 特點(diǎn) 在于， 含有 模擬器件其固有的缺點(diǎn)，如溫度漂移，零點(diǎn)漂移電壓， 降低了 直流驅(qū)動(dòng)器的可靠性和準(zhǔn)確性。 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 ，直流驅(qū)動(dòng) 已由 微處理器 實(shí)現(xiàn) 全數(shù)字化控制。由微處理器控制， 輸出為 數(shù)字信號(hào) ，其 控制精度，穩(wěn)定性和可靠性 ， 模擬直流調(diào)速系統(tǒng) 是不能比擬的。實(shí)現(xiàn) 全數(shù)字 控制， 抗干擾能力強(qiáng) ， 控制裝置靈活， 成為 直流調(diào)速 的 一個(gè)新的 方向 。 微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代， 以 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路制造工藝 制造單片機(jī)控制直流 調(diào)速系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 3 集成電路， 降低 微處理器的成本 ， 使其 得 到了 越來(lái)越高的快速發(fā)展。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，提升的生產(chǎn)工藝，快速的 提 高 了 高功率電子器件的性能。用微處理器來(lái)控制電機(jī) ， 可完成各種創(chuàng)新的，高性能的控制策略，電機(jī)的潛力得到充分的發(fā)揮 。使用微處理器控制的電機(jī) 使 電機(jī) 的 發(fā)展 發(fā)生 新變化 ， 電機(jī)制造商 基于此 開(kāi)發(fā)出了多種容易控制 的 實(shí)用新型電機(jī) [8]。 對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需使用微處理器控制繼電器，電子開(kāi)關(guān)零件，電機(jī)控制 就 可以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)可編程控制器與微處理器 結(jié)合， 各種機(jī)床和生產(chǎn)線 都可以通過(guò) 電機(jī)控制 實(shí)現(xiàn) 各種普遍應(yīng)用。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電動(dòng)機(jī) ， 將不得不使用微處理器控制電機(jī)的電流，電壓，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)角度，使得電動(dòng)機(jī)按照給定的指示準(zhǔn)確工作。由 于 微處理器控制，大大改善了電機(jī)的性能。機(jī)械換向 的 直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)他們有自己的優(yōu)勢(shì)，例如直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速性能，但 擁有 機(jī)械磨損和換向火花等問(wèn)題， 而 交流電機(jī)，比直流電動(dòng)機(jī) 中 的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性 比直流電動(dòng)機(jī) 好 ，但運(yùn)行時(shí) 必須 恒定電源頻率，他們的速度不能方便 的 經(jīng)濟(jì)調(diào)控。高性能微處理器，新的控制理論和控制策略的出現(xiàn)，如數(shù)字信號(hào)處理器 DSP， 使 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化程度大大提高。在國(guó)家的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床和數(shù)控位置伺服系統(tǒng)， 采用 如DSP高速微處理器， 可以 擁有 超過(guò)數(shù)百千兆位每秒的執(zhí)行速度。 直流電機(jī)調(diào)速原理 圖 11 直流電機(jī)的物理模型圖 圖 11 所示為 兩極直流電機(jī)模型 。 它的定子上， 是 一對(duì)靜止的主磁極 N 和 S， 起到 直流勵(lì)磁的 作用。中間為 轉(zhuǎn)子 ，含有 電樞鐵心 ， 轉(zhuǎn)子與定子 不接觸，有 一 定 氣隙 相隔 。在 轉(zhuǎn)子 電樞鐵心 外 部 放置兩根電樞線圈 ，并用 導(dǎo)體連 接 ，線圈 與稱(chēng)為 換向片的銅片 分別 首端和末端 相 連 。 換向器由構(gòu)成換向片的整體 組成， 固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片之單片機(jī)控制直流 調(diào)速系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 4 間 ， 換向片與轉(zhuǎn)軸之間 都 互相絕緣。一對(duì)固定不動(dòng)的電刷放在換向片上， 當(dāng) 電樞線圈在 電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)換向片和電刷 的摩擦 與外電路接通。 圖 12 直流電機(jī)的基本工作原理圖 圖 12 所示 為 直流電機(jī) 工作原理 圖 。 如圖（ a）所示，給兩個(gè)電刷加上直流電源，從電刷 A 處 則有直流電流流入， 通 過(guò)線圈 abcd，從 B 處電刷 流出，根據(jù) 楞次 定律，線圈斷 ab 和 cd 將受到 電磁力的作用，兩段導(dǎo)體受到的力 方向相反， 形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。 到 圖（ b）所示的位置 時(shí) ，電刷 A 和電刷 B 分別與 換向片 2 和換向片1 接觸，從電刷 A 流入直流電流， 經(jīng)過(guò) 線圈 dcba，從 B 處 流出。此時(shí) 線圈段 ab 和cd 受到 與之前方向相同的 電磁力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 ， 仍 將保持 轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電刷和換向片 之間的這種互相作用 ， 即使 外加的電源是直流的，但電流在線圈 兩邊 產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 矩的方向卻是 相同 的 ，構(gòu)成了 直流電動(dòng)機(jī)工作的原理 [9]。 式 11 為計(jì)算 直流電機(jī) 穩(wěn)態(tài) 轉(zhuǎn)速的表達(dá)式 : ??? K IRUn (11) 式中 ， U電樞電壓 （ V） I電樞電流 （ A） R電樞電路總電阻 （ Ω ） Φ勵(lì)磁磁通（ Wb） K由電動(dòng)機(jī)決定的電動(dòng)勢(shì) 常數(shù) 通過(guò)表達(dá)式可看出，電壓、電阻、磁通是三個(gè)變量，因此， 控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的原理 有三種 : (1)調(diào)節(jié) 電樞電 壓 U (2)減弱勵(lì)磁磁通 Φ (3)改變電樞電阻 R 單片機(jī)控制直流 調(diào)速系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 5 電機(jī)磁通不能增大，只能減小，調(diào) 節(jié)磁通的方法稱(chēng)為 弱磁調(diào)速 ，這種方法 雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大 ， 可以與 調(diào)壓調(diào)速配合 ，做小范圍的弱磁升速 ； 改變電樞電阻的方法 只能有級(jí)調(diào)速 ，而且電阻消耗電能，效率低下，已經(jīng)基本不用 [10]。所以在 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 中以 調(diào)壓調(diào)速為 最好，本 設(shè)計(jì) 將 采用 這種 方法。 系統(tǒng)方案 確定 本設(shè)計(jì)的 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) ，分為 硬件和軟件兩大部分 。 硬件為軟件提供程序運(yùn)行的平臺(tái) ，是 整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ) ； 軟件部分 為控制部分，為 對(duì)電機(jī) 進(jìn)行 有效控制 ，要 采集、分析、處理硬件 發(fā)出 的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn) 程序設(shè)定 的各項(xiàng)功能。 圖 13 為 此次 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 。 本設(shè)計(jì)主要由 AT89S52 單片機(jī) ， 鍵盤(pán)， LED數(shù)碼管， L298 驅(qū)動(dòng)模塊，直流電動(dòng)機(jī)等組成。 本設(shè)計(jì)輸入部分，主要是利用獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的加速、減速、換向、停止的控制。 顯示部分，由 LED 數(shù)碼管完成，可以將電機(jī)電樞電壓的占空比實(shí)時(shí)顯示。 控制部分，主要是由 L298 驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)組成的單片機(jī)外部中斷擴(kuò)展電路。 圖 13 直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖 本 設(shè)計(jì) 基于 AT89S52單片機(jī)， 其 組成 為 輸入模塊、顯示模塊及電機(jī) 控制 模塊 。 通過(guò)編寫(xiě) 單片機(jī) 程序 ， 利用單片機(jī)定時(shí)中斷，定時(shí)器定時(shí)， 生成 PWM波， 控制 L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， 并 用獨(dú)立式鍵盤(pán) 來(lái)控制 定時(shí)器定時(shí)，完成對(duì) PWM占空比命令的 輸入 ，并在數(shù)碼管顯示。 這樣就可以 控制電動(dòng)機(jī) ，實(shí)現(xiàn) 電機(jī)正 、 反轉(zhuǎn)和 加速、減速、 急停控制 ， 并測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速， 同時(shí)單片機(jī)不停的將 PWM波 占空比送到 LED數(shù)碼管 顯示 ,且實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速 。 直 流 電 機(jī) LED顯示 PWM占空比及轉(zhuǎn)速 鍵盤(pán)控制 PWM AT89S52 單片機(jī) L298驅(qū)動(dòng)電路 轉(zhuǎn)速 單片機(jī)控制直流 調(diào)速系 統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 6 2