基于单片机的直流电机控制系统的设计

基于单片机的直流电机控制系统的设计内容摘要：

6 第二章 系统硬件设计 本设计以 AT89S52 单片机为核心，以 5 个弹跳按钮作为输入达到控 制直流电机的 停 止 、 加速、减速、正转、反转。 在设计中，采用 PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。 （ 1）能实现通过调节给定的电压对直流电机的速度及转向控制； （ 2） 通过按钮能实现直流电机的加速、减速、等变速及转向控制； 直流电动机具有优良的调速特性 ， 调速平滑 、 方便 ， 调速范围广 ； 过载能力大 ， 能承受频繁的冲击负载 ， 可实现频繁的无级快速起动 、停止 和反转 ； 能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。 电动机调速系统采用微机实现自动控制 ， 是电气传动发展的主要方向之一。 采用微机控 制后 ， 整个调速系统实现自动化 ， 结构简单 ， 可靠性高 ， 操作维护方便 ， 电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平 ， 静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。 由于单片机性能优越 ， 具有较佳的性能价格比 ， 所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点 ： 由于 PWM 调速系统的开关频率较高 ， 仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流 ， 低速特性好 ： 同样 ， 由于开关频率高 ， 快速响应特性好 ， 动态抗干扰能力强 ， 可以获得很宽的频带 ； 开关器件只工作在开关状态 ， 主电路 损耗小 ，装置效率高。 本文所介绍的系统就是一个采用典型的开环调速原理组成的单片机PWM 调速系统 [45]。 采用单片机构成的直流电动机数字 PWM 调速系统 ,其控制核心主要由 最小系统、电源模块（ 12v 5v）、电机驱动电路、按键（加速、减速、急停、正转、反转）、显示模块（四位数码管）、直流电机组成。 系统采用 L298N芯片 作为 PWM 驱 7 动直流电动机的供电主回路。 单片机通过软件处理输出 PWM信号 , 实现了直流电动机的速度控制 ,在运行中获得了良好的动静态性能。 由于 系统性价比高 ,结构简单 ,具有实用价值和推广价值。 在 介绍了基于单片机用 PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及 PWM调整的基本原理和实现方法。 重点介绍了基于 AT89S52单片机的用软件产生 PWM信号的途径，并介绍了一种独特的通过软件 定时中断 实现 PWM信号占空比调节的方法。 对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 （ 1）键盘识别：通过 P1口的低电平输入识别不同的按键。 （ 2）通过对单片机程序烧录实现对直流电机的 停止、加速、减速、 正转、反 转 控制。 （ 3）由于单片机的驱动能力不强，驱 动直流电机需要很强的电流所以必须有外围的驱动电路，因此本设计采用 L298芯片 放大单片机微弱的电流。 控制原理 ： 89S52单片机为核心的直流电机控制系统控制简图如图 21所示，由软件转换成 PWM 信号，并由 、 ，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。 软件采用 定时中断 进行设计。 单片机上电后，系统进入准备状态。 当按动启动按钮后，根据 电平 实现电机正转 ， 高 电平 时实现电机反转。 根据不同的加减速按钮，调整 ，从而可以控制 ，进而控制电压的大小。 控制程序应用于电机的加减速。 在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。 脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。 经实验发现，脉冲频率在 40Hz 以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在 10Hz 以下，电动机转动有明显跳动现象。 实验证明，脉冲频率在 15Hz30Hz 时效果最佳。 而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。 通过 输入高电平信号 输入 低电平与。 通过对信号占空比的调整来对直流电机进行调节。 方案选择 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的 8 目的。 但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。 更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。 这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应 时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案三：采用 驱动芯片 L298N 驱动直流电机， L298N 具有驱动能力强，外围电路简单等优点，因此我们采用方案三。 PWM 调速工作方式 方案一：双极性工作制。 双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。 方案二：单极性工作制。 单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出 PWM 信号，两口的输出切换和对 PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。 由于单极性工作制电压波 开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。 PWM 调脉宽方式 调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。 我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。 PWM 软件实现方式 方案 一 ：采用软件延时方式，在引入中断 之 后，将有一定的误差。 方案 二 ：采用定时器作为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个 us，综合考虑我们采用方案二 [67]。 9 系统分析与 硬件 设计 键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 与 其中一口输出与转速相应的 PWM 脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制 ， 电动机正转，反转， 加速 ， 减速 、 急停。 总体设计方案的硬件部分详细框图如图 21所示： A T 8 9S 5 2输 入 模 块显 示 模 块驱 动 模 块 直 流 电 机电 源 模 块图 21 系统硬件框图 单片机最小系统的设计 单片机最小系统 ： 所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系 统。 一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。 设计部分分析 ： 单片机 AT89S52 AT89S52 8位单片机是 MSC51174。 系列产品的升级版，有世界著名半导体公司ATMEL 在购买 MSC51174。 设计结构后，利用自身优势技术 —— （掉电不丢数据）闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。 与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的 51 内核，结合公司自身技术进行改进生产，推广一批如 51F020 等高性能单片机。 AT89S52 片内集成 256 字节程序运行空间、 8K 字节 Flash 存储空间，支持最大 64K 外部存储扩展。 根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在 10 033M 之间。 片内资源有 4 组 I/O 控制端口、 3 个定时器、 8 个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。 可以在 4V到 宽电压范围内正常工作。 不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。 同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销 10 年不衰。 根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插 DIP40的封装。 图 22 DIP40封装 89S52引脚图 复位电路及时钟电路 复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。 复位电路通常分为两种：上电复位和手动复位。 RST单片机C1R1GNDVCC RST单片机C2R2GNDVCCR3S?SWPB 上电复位 手动复位 有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要 11 手动复位。 所以本次设计选用手动复位。 高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。 但是告诉对系 统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。 考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。 合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取 无源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2引脚。 并联 2个 30pF 陶瓷电容帮助起振。 最小系统如图： 图 23 最小系统 电源电路设计 直流稳压电源的基本原理 ： 直流稳压电源一般有电源变压器 T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下。 12 图 24 直流电源原理 各部分作用： (1)电源变压器 T的作用是将 220V的交流 电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压 Ui。 变压器副边与原边的功率比为 P2/P1=n，式中 n是变压器的效率。 (2)整流电路：整流电路将交流电压 Ui变换成脉动的直流电压。 再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压 U1。 常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。 图 25 整流电路 （ 3）滤波电路：各滤波电路 C满足 RLC=（ 3~5） T/2，式中 T为输入交流信号周期， RL为整流滤波电路的等效负载电阻。 13 图 26 滤波电路 (4)稳压电路 :常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳 压电路，二是串联型稳压电路。 二者的工作原理有所不同。 稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。 它一般适用于负载电流变化较小的场合。 串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。 集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。 常用稳压电路归纳如下。