【正文】 .................................................................................... 15 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ................................................................................................................ 16 主程序流程圖 ................................................................................................................... 16 定時器中斷程序流程圖 ................................................................................................... 16 獨立式鍵盤控制流程圖 ................................................................................................... 17 系統(tǒng)仿真調(diào)試 ................................................................................................................... 19 仿真結(jié)果分析 ........................................................................................................... 20 本章小結(jié) ........................................................................................................................... 22 結(jié) 論 .......................................................................................................................................... 23 參考文獻 ...................................................................................................................................... 24 附 錄 .......................................................................................................................................... 25 致 謝 .......................................................................................................................................... 34 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 基于 PWM 控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 第 1 章 緒論 開發(fā)背景 當(dāng)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(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用，無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備、還是在日常生活中的家用電器都大量使用著各式各樣的電氣傳動系統(tǒng)，其中許多系統(tǒng)有調(diào)速的要求 ： 如車輛、電梯、機床、造紙機械等等。電機調(diào)速系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動機三大要素組成一個有機整體。 三十多年來，直流電機傳動經(jīng)歷了重大的變革。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展 ， 走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào) 速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代 [2]。本文對基于 PIC單片機的直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā) ， 逐步建立了單閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在硬件方面充分利用微機外設(shè)接口豐富 ， 運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。該方案以驅(qū)動芯片與一些外圍電路。 黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 國內(nèi)外研究趨勢 直流電氣傳動系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種 ：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。但缺點是效率低、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機— 電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。但是汞弧變流器仍存在一些缺點 :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。由于它具有 體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。在快速響應(yīng)性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級 [5]。 PWM 控制的基本原理很早 就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù) [6]。從控制的角度來看，直流調(diào) 速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機功能的不斷提高以及電力電 子、計算機控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。 技術(shù)要求 及 工作內(nèi)容 本系統(tǒng)主要是利用單片機的定時器產(chǎn)生 PWM 脈沖通過驅(qū)動電路進行直流電機調(diào)速，鍵盤操縱電機進行停、轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。 系統(tǒng)可以劃分為主控電路（單片機 STC89C52）、直流電機驅(qū)動電路（采用 L298 設(shè)計驅(qū)動電路）、液晶顯示按鍵功能電路（ LCD1602）、電源電路、測速電路等模塊，采用 PWM 基本原理，以硬件電路為基礎(chǔ)，以 C 語言進行程序編寫，只要通過軟件編程，單片機根據(jù)程序進行控制，調(diào)節(jié) PWM信號占空比，進一步控制了 L298 驅(qū)動電路的 PWM 輸入信號，從而控制了直流電機的電壓，改變電機電壓的大小就可以改變電機轉(zhuǎn)動的速度，改變電機電壓的方向就可以改變電動機的轉(zhuǎn)動方向，這樣就可以實現(xiàn)了單片機控制直流電機調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，可以通過LCD 顯示出 電機的轉(zhuǎn)速。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給 L298 直流電機驅(qū)動芯片發(fā)送 PWM 波形，測速系統(tǒng)把反饋數(shù)據(jù)給單片機，完成電機正，反轉(zhuǎn)和急停控制；同時單片機不停的將測得轉(zhuǎn)速送到 LCD 完成實時顯示 [7]。 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 PWM 調(diào)速原理 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源， 并且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開 ”時間的長短。也正因為如此， PWM 又被稱為 “ 開關(guān)驅(qū)動裝置 ”。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T 時，就可以得到不同的電機平均速度 Vd，從而達到調(diào)速的目的 [8]。 PWM 調(diào)速方法 采用定時器做為脈寬控制的定時方法。 PWM 控制流程圖 在本設(shè)計中 PWM 脈沖調(diào)制的控制流程見圖 23。 命令輸入模塊主要是由 STC89C52 為核心產(chǎn)生 PWM 波形，改變輸出電壓從而控制直流電機的轉(zhuǎn)速。 獨立鍵盤模塊是控制電機停、轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。 LCD 顯示模塊時把測速模塊得來的數(shù)據(jù)在 LCD 顯示屏上顯示出來。 PWM 的工作原理和調(diào)速方法， PWM 是 通過改變直流電機電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來達到改變平均電壓大小的目的 ，本系統(tǒng)主要是 由 命令輸入模塊 、 電機驅(qū)動模塊 、獨立鍵盤模塊、 測速系統(tǒng)模塊 、 LCD 顯示模塊 幾部分組成 。 單片機控制模塊 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的控制模塊圖 31。驅(qū)動芯片的輸入電壓是兩引腳的電壓差，在調(diào)速時一根引腳線為低電平，另一個引腳產(chǎn)生調(diào)速方波，這樣兩個引腳的電壓差就可通過控制其中一個引腳來控制。 定時計數(shù)器 10us 中斷一次，就使 產(chǎn)生一個高電平或低電平。一個周期加在電機兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比 。當(dāng)我們改變黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 占空比時 ，就可以得到不同的電機平均速度，從而達到調(diào)速的目的。 STC89C52 的簡介 在常用的 89 系列的單片機中， 51 系列只有 4K 字節(jié)的在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器， 128字節(jié) RAM。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash， 它 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器， 操作方便，引腳也充足，而且 STC89C52， 支持 ISP 串口下載 ， 使得 STC89C52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 我們通過編寫程序來控制單片機執(zhí)行相應(yīng)的指令，從而實現(xiàn)對指定電路的控制。 2． 在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。 4． 在高電壓編程方式時，將 EA/Vpp 端加上 +12V 編程電壓。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的，通常約為 。 電機驅(qū)動模塊 電機驅(qū)動模塊采用的是 L289 芯片?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。 （ 1） L298 內(nèi)部的原理圖 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 見 圖 33。 4 個三極管組成H 的 4 條垂直腿，而電機就是 H 中的橫杠。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。 圖 34 H橋驅(qū)動電路 要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管 導(dǎo)通。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。 圖 35 H橋驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 圖 36 所示為另一對三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。 圖 36 H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動 驅(qū)動電機時，保證 H 橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通非常重要。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管 [9]。 （ 3） L298 的邏輯功能 當(dāng)使能端為高電平時 ， 輸入端 IN1 為 PWM 信號 ， IN2 為低電平信號時 ， 電機正轉(zhuǎn) ；輸 入端 IN1 為低電平信號， IN2 為 PWM 信號時 ， 電機反轉(zhuǎn) ； IN1 與 IN2 相同時 ， 電機快速停止。 詳細邏輯見表 31。 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0/ R X D10P 3. 1/ T X D11P 3. 2/ ! I N T 012P 3. 3/ ! I N T 113P 3. 4/ T 014P 3. 5/ T 115P 3. 6/ ! W R16P 3. 7/ ! R D17X T A L 218X T A L 119G N D20A 8/ P 2. 021A P / P 2. 122A 10 / P 2. 223A 11 / P 2. 324A 12 / P 2. 425A 13 / P 2. 526A 14 / P 2. 627A 15 / P 2. 728! P S E N29A L E / ! P R O G30! E A / V P P31A D 7/ P 0. 732