基于pwm的直流电机控制系统设计

基于pwm的直流电机控制系统设计内容摘要：

擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。 在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“ 1”且在任 何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式下， CPU停止工作。 但 RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在 工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 5．中断系统 中断系统是单片机的重要组成部分。 实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。 中断系统大大提高了系统的效率。 C51 系统有关中断的寄存器有 4个，分别为中断源寄存器 TCON 和 SCON、中断允许控制寄存器 IE和中断优先级控制寄存器 IP；中断源有 5个，分别为外部中断 0 请求 INT0、外部中断 1 请求 INT定时器 0 溢出中断请求 TF0、定时器 1 溢出中断请求 TF1 和串行中断请求 R1或 T1。 5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器 IP和顺序查询逻辑电路共同决定， 5 个中断源分别对应 5个固定的中断入口地址。 中断的特点是分时操作，实时处理和故障处理。 简单介绍一下本次设计所需的单片机芯片 AT89C51 的中断系统中要用到的中断类型。 （ 1） 外部中断源 AT89C51 有 INT0 和 INT1 两条外部中断请求输入线 ,用于输入两个外部中断源的中断请求信号 ,并允许外部中断源以低电平或负边沿两种中断触发方式来输入中断请求信号。 AT89C51 究竟工作于哪种中断触发方式 ,可由用户对定时器控制寄存器 TCON中 IT0 和 IT1位状态的设定来选取。 AT89C51 在每个机器周期的 S5P2 时对 INT0、线上中断请求信号进行一次检测 ,检测方式和中断触发方式的选取有关。 若 AT89C51 设定为电平触发方式 (IT0=0 或 IT1=0),则 CPU 检测到 INT0、 INT1 上低电平时就可认定其上中断请求有效。 若设定为边沿触发方式 (IT0=1 或 IT1=1),则 CPU 需要两次检测INT0、 INT1 线上电平方能确定其上中断请求是否有效 ,即前一次检测为高电平和后一次检测为低电平时中断请求才有效。 （ 2） 定时器溢出中断源 定时器溢出中断由 AT89C51 内部定时器分的中断源产生 ,故它们属于内部中断。 AT89C51 内部有两个 16 位定时器 /计数器 ,受内部定时脉冲 (主脉冲经 12 分频后 )或T0/T1 引脚上输入的外部定时脉冲计数。 定时器 T0/T1 在定时脉冲作用下从全“ 1”变成全“ 0”时可以自动向 CPU 提出溢出中断请求 ,以表明定时器 T0 或 T1的定时时间 已到。 （ 3） 串行口中断源 串行口中断由 AT89C51 内部串行口的中断源产生 ,也是一种内部中断。 串行口中断分为串行口发送中断和串行口接收中断两种。 在串行口进行发送 /接收数据时 ,每当串行口发送 /接收完一组串行数据时 串行口电路自动使串行口控制寄存器 SCON 中的RI或 TI 中断标志位置位，并自动向 CPU 发出串行口中断请求 ,CPU 响应串行口中断后便立即转入串行口中断服务程序执行。 因此 ,只要在串行口中断服务程序中安排一段对 SCON中 RI和 TI中断标志位状态的判断程序 ,便可区分串行口发生了接收中断请求还是发送中断请求。 （ 4） 中断标志 AT89C51 在 S5P2 时检测 (或接收 )外部 (内部 )中断源发来的中断请求信号后先使相应中断标志位置位 ,然后便在下个机器周期检测这些中断标志位状态 ,以决定是否响应该中断。 单元电路设计与分析 主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块（内含 CMOSS 管、三太门等）组成。 现在介绍下直流电机的运行原理 直 流电机 可按其结构、工作原理和用途等进行分类 ， 其中 根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机 （ 将机械能转化为直流电能 ）、 直流电动机 （ 将直流电能转化为机械能 ）、 直流测速发电机 （ 将机械信号转换为电信号 ）、 直流伺服电 动 机 （ 将控制信号转换为机械信号 ）。 下面以直流电动机作为研究对象。 直流电机由定子和转子两部分组成。 在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出 ,直流电机结构如图 所示。 图 直流电动机结构 直流电机电路模型如图 ， 磁极 N、 S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈 abcd。 当线圈中 流过 电流时，线圈受到电磁力 作用 ，从而产生旋转。 根据左手定则 可知， 当 流过 线圈中电流 改变方向时，线 圈 的受方向也将改变，因此通过改变线 圈 电路的方 向实现改变电机的方向。 图 直流电动机电路模型 直 流电机的主要额定值有： 额定功率：在 额定 电流和电压 下，电机的 负载能力。 +ABabcdNS图 1 . 1 直 流 电 机 工 作 额定电压：长期运行的最高电压。 额定电流：长期运行的最大电流。 额定转速 n：单位时间内的电机转动快慢。 以 r/min 为单位。 励磁电流 If：施加到电极线圈上的电流。 直流电机 PWM 调速原理 （ 1）直流电机转速 直流电机的数学模型可用图 表 示，由图可见电机的电枢电动势 Ea 的正方向与电枢电流 Ia 的方向相反， Ea为反电动势；电磁转矩 T 的正方向与转速 n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩 T2 及空载转矩 T0 均与 n相反，是制动转矩。 图 直流电机的数学模型 根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式 ： U=EaIa（ Ra+Rc） „„„„„„„„„„„„„„„„„式 式 中， Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和； Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻。 由此可得到直流电机的转速 公式为： n =UaIR/CeΦ „„„„„„„„„„„„„„„„„ 式 式 中， Ce 为电动势常数， Φ 是磁通量。 由 式和 式得 n =Ea/CeΦ „„„„„„„„„„„„„„„„„„式 由式 ，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压 Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电r a Ea n T0 T2 I U T1 Φ Rc 说明 : U „ „„ „„ „ 电压 Ea „„„ 电枢电动势 n „„ „ „„ „ „ 转速 I „„„ „„ „ 电枢电流 r a „„„ 电枢回路电阻 Rc „„„ 外在电枢电阻 T1 ， T2 „ „ „ 负载转矩 T0 „„„ „ 空载转矩 Φ „„„ „„ „ 磁通量 枢电压降低到 0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。 （ 2） PWM 电机调速原理 对于直流电机 来说，如果加在电枢 两端的电压为 所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在 T 不变的情况下，改变 T1 和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 图 施加在电枢两端的脉动电压 设电机接 全 电 压 U 时，其转速最大为 Vmax。 若施加到电枢两端的脉动电压 占空比为 D=t1/T，则电 枢 的平均 电压 为 ： U 平 =UD „„„„„„„„„„„„„„„„„式 由式 得到： n =Ea/CeΦ≈ UD / CeΦ =KD ； 在假设电枢内阻转小的情况下式中 K= U/ CeΦ ，是常数。 图 为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。 图 占空比与电机转速的关系 由图 看出转速 与占空比 D并不是完全 速的 线性关系（图中实线）， 原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。 由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。 电机驱动模块的电路设计 最大值V m a x平均值V d最小值V m i nt 1 t 2T图1 . 3 P W M 调速原理图 ABABI N 2I N 1E N AD11N40 0 6D21N40 0 6D31N40 0 6D41N40 0 6Q12S K 10 5 8Q22S K 10 5 8Q32S K 10 5 8Q42S K 10 5 8R11KV1+ 9 V2 31U174 12 62 31U274 12 6直流电机驱动电路直流电机+ 88 . 8根据直流电机的工作原理，从 PROTEUS 选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地 ]连线 ，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图 所示 ● 2SK1058 : CMOSS 管 ● 74L26 : 三太门 ● 1N4006 : 二极管 ● VSCOURCE : 电源 ● MOTORENCODER : 直流电机 ● RES : 电阻 ● AT89C51 : 单片机 (在此并未显示 ) 图 直流电机驱动电路 然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就 没必要再从新来设计；选用 L298 芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由 L298 芯片组装的驱动模块如图 所示。 所用元器件如下所示： ● 1N4006 : 二极管 ● AT89C51 : 单片机 (在此并未显示 ) ● RES : 电阻 ● MOTORENCODER : 直流电机 ● L298 : 电机驱动芯片 ● RESPACK8: 排阻 I N 15I N 27E N A6O U T 12O U T 23E N B11O U T 313O U T 414I N 310I N 412S E N S A1S E N S B15G N D8VS4V C C9 U2L2 9 8+ 1 2 VR410 0R510 0R610 0+ 88 . 823456789 1R P 1R E S P A C K 8+ 1 2 VD11N40 0 3D31N40 0 3D21N40 0 3D41N40 0 3直流电机驱动芯片直流电机 图 直流电机及其驱动电路 程序设计流程图 定时中断服务设置一定的周期0 FF00H将从键盘( 中断) 读取的数据送到 TH0 中, 从而设置脉宽通过定时中断不停给电机驱动芯片输出脉冲 初始设置 RETI 图 定时中断服务流程图 直流电机的中断键盘控制模块 外部中断设置 （ 1） 外部中断允许设置 中断控制寄存器 IE 的 EX0 对应 INT0， EX1 对应 INT1， EA 为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将 IE对应的位和总开关 EA 置 1即可。 如：开放外部中断 0的设置： SETB EX0 SETB EA 开放外部中断 0和 1的设置： SETB EX0 SETB EX1 SETB EA （ 2） 外部中断触发方式设置 单片机外部中断有两种触发方式，一 种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与 TCON 的 IT 位有关。 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 电平触发设置。