基于单片机控制pwm输出直流电机调速系统设计

基于单片机控制pwm输出直流电机调速系统设计内容摘要：

一相的正弦波都使用三相的电压波形，通过两组晶闸管变流电路，调制出近似正弦波的输出。 从原理上分析，该电路的变频功能只能由基频向下变，即频率只能变低。 因为中间环节少，所以它的效率高。 同步电动机的调速方法 同步电机的调频只有两种方式：调节定子和转子的极对数比例；变频。 调极提速的平滑性不好而交 交变频调速的调速范围有限。 PWM 变频调速 对于 PWM 变频调速，以上缺点均被一一克服。 与交 交变频电路的变 频过程比较，似乎只多了一个直流的转换过程。 而正是这个直流转换过程使 PWM 变频电路更具灵活性。 现代的变频器采用了通信技术领域中的脉宽调制技术，具体一点就是应用了 5 采样控制理论中的一个重要理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。 变频器就是应用这一理论，用一系列不等宽的脉冲代替一个正弦波，只要缩短这一系列脉冲的总宽度，就可达到调频的效果，而改变这一系列中各脉冲的宽度则可达到调压的目的（有效值等效，但峰值不等效），因此这一技术使恒磁通调速成为可能。 在设计电机时， 一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，因此，调速时希望保持每极磁通 m 为额定值，即 mNm  。 因为磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因素降低；而磁通减少，将使电动机输出转矩下降，如果负载转矩仍维持不变，势必导致定子、转子过电流，也要产生过热，故希望保持磁通恒定。 由上所知恒磁通调速，其实是要达到恒力矩输出的效果。 而异步电动机定子每相感应电动势为 mNKNfE 1111  （ 12） 式中： 1N ——定子绕组每相串联匝数； 1NK ——基波绕组系数； m ——每极气隙磁通。 由式（ 12）可以知道， m 的值是由 1E 和 1f 共同决定的。 对 1E 和 1f 进行适当的控制，就可以使气隙磁通 m 保持额定值不变。 总的来说 PWM 变频调速技术频调速灵活。 调速的范围宽，在一定范围内可实现恒力矩输出，是一种相当适合电梯使用的调速方式，而且其本身的技术也在不断的革新中。 随着 PWM 技术的不断改进，它的应用的范围也将不断的扩展。 课题研究内容及目标 根据 直流电机 调速的控制要求确定整体的设计方案，完成单片机控制的PWM 直流电机调速系统设计。 该系统需能实现用软件产生 PWM 信号，并且通过单片机对 L298 的信号传输达到对电机的启动和停止，加速和减速，正传和反转的控制；直流电机的转速在 LED 显示器上正确实时显示。 该系统主要由输入设备、单片机、显示器、电机驱动模块和测速元件等部分组成。 主要内容具体描述如下： （ 1） 输入设备的选择：与矩阵键盘相比独立键盘结构简单，所以本设计采用独立键盘给单片机输入信号； （ 2） 单片机的选型： MCS51 系列单片机有多种型号，其中 AT89S51 不仅兼容 8051，还具有 ISP 编程和看门狗功能，这里选用单片机 AT89S51 作为控制 6 核心； （ 3） 显示部分的设计： LED 是 单片机应用系统中最常用的输出器件，用 LED实现对 PWM 脉宽调制占空比的实时显示； （ 4） 电机驱动模块的设计：利用 H 桥式驱动电路可实现电机的正转，反转，制动的功能，作为集成有桥式电路的电机专用芯片 L298 在应用领域被广泛使用，而且其性能比较稳定可靠，所以用 L298 作为电机的驱动芯片。 （ 5） 测速元件的选用：测速元件有很多，本设计选用霍尔元件测速，在电机中安装霍尔开关传感器，把速度传送给单片机。 本章小结 本章节主要分析了直流电机调速系统研究的背景和研究的目的及意义；并且介绍了 直流 电机控制的国内外研究 现状及发展情况； PWM 变频调速的发展前景；以及本课题主要研究内容及预期目标做了简要说明。 2 直流电机调速系统设计 系统总体方案设计 设计思路 单片机控制的 PWM 直流电机调速系统的主要 功能包括： 实现对直流电机的加速、减速 和正转、反转以及启动、停止 的控制 ，能够很方便地 实现电机智能控制。 系统的主体电路 是直流电机 PWM 控制模块。 这部分电路主要由 AT89S51单片机的 I/O 端口、定时计数器 、外部中断扩展等来控制直 流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便地实现直 流电机的智能控制。 该系统是通过 AT89S51 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298 驱动芯片来控制直流电机的工作。 该单片机控制的 PWM 直流电机调速系统主要是由以下几个 电路 模块组成： 输入模块 ：这一部分主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和启动、停止控制。 控制模块：主要由 AT89S51 单片机的外部扩展电路组成。 直流电机 PWM 控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 驱动芯片组成。 测速 显示模块： 通过霍尔传感器 CS3020 和 LED 数码显示，实现对直流电机转速的实时 显示。 总体 方案比较与选择 方案一：直接 加直流电源来控制电机的转动速度：根据电机在其额定电压时， 7 电机有一定的额定转速。 那么如果 其输入电压减小，其转动速度也 相应地 减小。 在传统的改变电机的转速中，就是利用所给电机的电压的不同，从而达到人们所需的转速。 方案二 ：以单片机 AT89S51 为中心，通过 D/A 转换器，将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电机的转速问题。 其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需的速度值，同时输到数码显示部分和 D/A 转换部分以实现电机的调速。 电路 组成框 图如图 21 所示 ： 图 21 电路组成框图 方案 三 ： 采用 AT89S51 单片机进行控制。 本设计需要使用的软件资源比较简单，只需完成霍尔元件采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。 采用AT89S51 进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。 输出速度 由单片机传送给 LED 进行实时显示。 AT89S51 是 ATMEL在 2020 年推出的新型单片机品种。 AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位微控制器 ，片内含 4K Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复 擦写 1000 次的Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造， 兼容标准 MCS51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元， 所以 ATMEL 的 AT89S51 是一种高效微控制器。 方案分析： 方案一只能以减小 所给电压值而能使电机的转速有相应地 减小，此方案操作性差且不安全。 方案二不能及时地从电机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序那儿调用相应的数值给数码管显示。 所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。 方案三在可操作性与实时性方 面都结合了本设计的特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用 所学知识的特点。 所以，本设计采用方案三。 电机调速控制模块方案比较与选择 方案一：采用电阻网路或数字 电位器 调整电机 分 压，从而达到调速的目的。 显示器 键盘 AT89S51 单片机 D/A转 换器 电机 8 但是电阻网路只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵， 更主要的问题是一般电机的电阻很少，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现困难。 方案二：采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。 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、机械结构易坏、寿命短、 可靠性不高。 方案三 ：采用 由复合三极管组成的 H 型 PWM 电路。 用单片机控制复合三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高； H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术。 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 基本原理分析 直流电机的调速原理 直流电机结构多样，但不论什么样的直流电机都由定子和转子。 其中定子由主磁极、 换向磁极、机座等几部分组成；转子主要由：电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。 常见直流电机外形和内部结构如图 22 所示。 直流电机按励磁方式的不同可分为：他励、并励、串励和复励电机四种。 不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。 对于直流电机来说人为机械特性方程式为： nnTCCRCUnTEaEa  02 （ 21） 式中： 0n 是电动机的理想空载转速，其值为EaCUn 0； n 是转速差； aU 是电枢供电电压（ V）； a R 是电枢回路总电阻（ Ω）；  是励磁磁通（ Wb）； EC 是电势系数； TC 转矩系数。 由式（ 21）可以看出，改变电枢电阻 aR 、电枢电压 aU 和励磁磁通  中的任何一个都可以使转速 n 发生变化，所以直流电机调速方法有以上三种 ：改变电枢电阻 aR 、改变电枢电压 aU 和改变励磁磁通 。 但是利用改变电枢电压调速可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围大等优点。 故本设计采用改变电枢电压来进行调速。 9 图 22 直流电机外形和结构示意图 直流电机 PWM 调速原理 PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。 下面简述一下 PWM 调速系统的工作原理。 图 23 给出 PWM 调速系统的工作原理电路及其输出波形。 （ a） （ b） 图 23 PWM 调速系统的工作原理电路及其波形 假设 V1 先导通 T1 秒，然后又关断 T2 秒，如此反复进行，可得到图 23（ b）的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压da UTTU 1。 如果 TT1 ，  可定义为占空比。 假定输入电压 dU 不变，  越大，则电机电压aU就越大，反之也成立。 所以改变  就可以达到调压的目的。 改变  有三种方法：第一种就是 T1 保持不变，使 T2 在 0 到 ∞之间变化，这叫定宽调频法；第二种就是 T2 不变，使 T1 在 0 到 ∞之间变化，这叫调宽调频法； 10第三种就是 T 保持一定，使 T1 在 0 到 T 间变化，这叫定频调宽法。 本设计采用的是定频调宽法 ，电动机在运转时比较稳定，并且在产生 PWM 脉冲实现上更方便。 霍尔效应 和 原理简介 本设计采用的霍尔传感器 CS3020 进行测速的，所以本节主要介绍一下霍尔效应及其原理。 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（ ， 1855—1938）于 1879 年在 研究金属的导电机构时发现的。 当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。 这个电势差也被叫做霍尔电势差。 霍尔效应原理图见图 24。 图 24 霍尔效应原理图 因为运动中的电荷收到磁场中洛伦磁力的作用而产生霍尔效应。 霍尔电势HU 见公式（ 22）： IBdRU HH  （ 22） 式（ 22）中： HR ——材料的霍尔常数（ 13 CM ）； I ——控制电流（ A）； B ——磁感应强度（ T）； d——元件的厚度（ m）； 令： dRK HH ， 则得到： IBKU HH  ，有此式可以看出霍尔电势的大小取决于控制电流 I 和磁 感应强度 B， HK 叫做霍尔灵敏度，与元件材料性质和几何尺寸有关。 系统各模块方案 的比较与选择 11 键盘的选择 键盘是计算机不可缺少的输入设备之一，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。 在本设计中，使用者可通过键盘对电机进行启动和制动、正转和反转、加速和减速控制。 在电机调速控制系统中常用的有独立式键盘和矩阵键盘，本节主要 针对键盘来进行介绍和选择。 独立式键盘 指直接用 I/O 接口线构成的单个按键电 路。 每个独立式按键单独占有一根 I/O 接口线，每根 I/O 接口线的工作状态不会影响其它 I/O 接口线的工作状态。 独立键盘如图 25 所示。 独立式键盘按键电路配置灵活，软件结构简单，但是 每个独立键盘都占用一个 I/O 接口，在按键数量较多时，浪费 I/O 接口， 所以其只适用在按键数量不多的系统中。