毕业设计单片机控制直流电机pwm调速设计与仿真(编辑修改稿)

毕业设计单片机控制直流电机pwm调速设计与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常 规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 与 MCS51 单片机产品兼容； 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； 1000 次擦写周期；全静态操作： 0Hz～ 33Hz；三级加密程序存储器； 32 个可编程 I/O 口线；三个16 位定时器 /计数器；八个中断源；全双工 UART 串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。 AT89S52 主要功能 拥有灵巧的 8 位 CPU和在系统可编程 Flash 晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz） 内部程序存储器（ ROM）为 8KB 内部数据存储器（ RAM）为 256 字节 32 个可编程 I/O 口线 8 个中断向量源 三个 16 位定时器 /计数器 三级加密程序存储器 全双工 UART 串行通道 AT89S52 引脚 图 单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 8 图 31 单片机引脚图 AT89S52 有 6个中断源：两个外部中断 （ INT0 和 INT1），三个定时中断（定时器 0、 2）和一个串行中断。 这些中断每个中断源都可以通过置位或清除特 殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。 IE 还包括一个中断允许总控制位 EA，它能一次禁止所有中断。 AT89S52 内部具有看门狗定时器及 3 个 16 位可编程定时器 /计数器。 16 位是指他们都是由 16 个触发器构成，故最大计数模值为 1216。 可编程是指它们的工作方式由指令来设置，或者当计数器用，或者当定时器用，并且记数（定时）的范围也可以由指令来设置。 这种控制功能是通过定时器方式控制器 TMOD 来完成的。 驱动电路 功率放大驱动芯片有多种，其中较 常用的芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于IR2110 具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对 EXB841 便宜，具有较高的性价比，且对于直流电机调速使用起来更加简便，因此该驱动电路采用了IR2110 集成芯片，使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。 芯片 IR2110 性能及特点 IR2110是美国国际整流器公司利用自身独有的高压集成电路以及无闩锁 CMOS技单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 9 术，于 1990年前后开发并且投放市场的，是一种双通道高压、高速的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。 它把驱动高压侧和低压侧 MOSFET或 IGBT所需的绝大部分功能集成在一个高性能的封装内，外接很少的分立元件就能提供极快的功耗，它的特点在于，将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到 600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。 高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得 MOSFET和 IGBT的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对 MOSFET和 IGBT的最优驱动，还具有快速完整的保护功能。 与此同时， IR2110的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。 降低了产品成本和减少体积。 IR2110 的引脚图以及功能 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSLINSDH INV DDNCLO 图 32 IR2110 管脚图 IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的 CMOS 输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达 500V， du/dt=177。 50V/ns，在 15V下的静态功耗仅有 ；输出的栅极驱动电压范围为 10～ 20V，逻辑电源电压范围为 5～ 15V，逻辑电源地电压偏移范围为－ 5V～＋5V。 IR2110 采用 CMOS 施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。 推挽式驱动输出峰值电流 ≥2A，负载为 1000pF 时，开关时间典型值为 25ns。 两路匹配传输导通延时为 120ns，关断延时为 94ns。 IR2110 的脚 10 可以承受 2A 的反向电流。 单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 10 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 图 33 IGBT 驱动电路 元器件的选择比较、选型 本设计采用 IGBT， IGBT 作为大功率的电路驱动器件，具有以下 优点： （ 1） IGBT在正常工作时，导通电阻较低，增大了器件的电流容量。 （ 2） IGBT 的输出电流和跨导都大于相同尺寸的功率 MOSFET。 （ 3）较宽的低掺杂漂移区（ n区）能够承受很高的电压，因而可以实现高耐压的器件。 （ 4） IGBT 利用栅极可以关断很大的漏极电流。 （ 5）与 MOSFET 一样， IGBT 具有很大的输入电阻和较小的输入电容，则驱动功率低，开关速度高。 虽然当 IGBT 关断（栅极电压降为 0）时， IGBT 的漏极电流也就相应地不能马上关断，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾 ——关断时间较长（ 10～ 50ms），所以 IGBT 的工作频率较低。 但这本设计中 IGBT 仍然是本设计驱动的最理想器件。 IGBT 型号选择：（ 1） IGBT 承受的正反向峰值电压： Uirm﹦ VVU  （ 31） 考虑到 ，可选 IGBT 的电压为 900V。 （ 2） IGBT 导通时承受的峰值电流 : Iirm= AI 1  （ 32） 额定电电压按 220V 供电电压、额定功率 10kVA 容量算。 在计算出（或测出）最大电压后，再留有 20%~30%的裕量， 选用的 IGBT 型号为 三菱 公司的 CT60AM18F，其耐压值为 900V，最大峰值电流 30A，完全满足设计要求。 单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 11 H 桥双极性主电路 从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。 因此在这个电路中， VT VT4或者 VT VT 3是不可能持续、不间断的导通的。 我们可以采取双 PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。 将 IC1的 HIN端与 IC2的 LIN端相连，而把 IC1的 LIN端与 IC2的 HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。 在 HIN为高电平期间， VT VT 4导通，在直流电机上加正向的工作电压。 其具体的操作步骤如下： 电源经 VT 1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过 VT 4到达零电位，完成整个的回路。 此时直流电机正转。 在 HIN为低电平期间， LIN端输入高电平， VT VT 3导通，在直流电机上加反向工作电压。 其具体的操作步骤如下： 电源经 VT 3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过 VT 2到达零电位，完成整个的回路。 此时，直流电机反转。 因此电枢上的工 作电压是双极性矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速是由矩形脉冲电压的平均值来决定的。 设 PWM波的周期为 T， HIN为高电平的时间为 t1，这里忽略死区时间，那么 LIN为高电平的时间就为 Tt1。 HIN信号的占空比为 D=t1/T。 设电源电压为 V，那么电枢电压的平均值为： Vout= [ t1 ( T t1 ) ] V / T = ( 2 t1 – T ) V / T = ( 2D – 1 )V (33) 定义负载电压系数为 λ， λ= Vout / V, 那么 λ= 2D – 1 ；当 T为常数时，改变 HIN为高电平的时间 t1，也就改变了占空比 D，从而达到了改变 Vout的目的。 D在 0—1之间变化，因此 λ在177。 1之间变化。 如果我们联系改变 λ，那么便可以实现电机正向的无级调速。 当 λ=， Vout=0,此时电机的转速为 0； 当 λ1时， Vout为正，电机正转； 单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 12 当 λ=1时， Vout=V,电机正转全速运行。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 图 34 桥式可逆 PWM变换器电路 双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 8 所示。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 图 35 PWM 变换器的驱动电压波形 他们的关系是： 1 4 2 3g g g gU U U U    。 在一个开关周期内，当 0 ontt 时，晶体管 1VT 、 4VT 饱和导通而 3VT 、 2VT 截止，这时 AB sUU。 当 ont t T 时， 1VT 、 4VT截止，但 3VT 、 2VT 不能立即导通，电枢电流 di 经 2VD 、 3VD 续流，这时 AB sUU。 ABU在一个周期内正负相间，这是双极式 PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图 2所示。 电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。 当正脉冲较宽时， 2on Tt ，单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 13 则 ABU 的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，2on Tt  ，平均输出电压为零，则电动机停止。 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 2 1o n o n o nd s st T t tU U UT T T     (34) 如果定义占空比 ontT ，电压系数 dsUU 则在双极式可逆变换器中 8 2 7 9SL1+5VIRQC L KA0CSRDWRD 0 D 7C N T LS H I G TR E S E T1512 141311109876543210R L 3RL2RL1RL0S L 0SL2S L 3A03B 0 3驱动器P0WRRDP 2 . 6A L EINT18 3 C 5 5 21KAT89S51 调速时，  的可调范围 为 0～ 1 相应的保 护 现 场读 入 转 速计 算 转 速恢 复 现 场转 速 调 节允 许 测 速中 断 返 回。 当封 锁 P W M 输 出分 析 ， 判 断 故障 原 因显 示 故 障等 待 系 统 复 位时，  为正，电动机正转；当 12 时，  为负，电动机反转；当 12 时， 0 ，电动机停止。 但电动机停止时电枢电压并不等于零， 而是正负脉宽相 等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。 这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。 但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓 ―动力润滑 ‖的作用。 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点： 1）电流一定连续。 2）可使电动机在四象限运行。 3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。 4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 检测回路 检测回路利用光电编码器将转速直接转换成数字 信号送入单片机进行处理。 光电编码器 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。 前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“ ０ ”；非接触式的接受单片机控制直流电机 PWM 调速系统的设计与仿真 14 敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代。