直流電機調速系統(tǒng)項目設計方案

1、<p>　　直流電機調速系統(tǒng)項目設計方案</p><p><b>　　0 前言</b></p><p>　　電動機作為最主要的機電能量轉換裝置， 其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域和人們的日常生活。無論是在工農業(yè)生產，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產品（如電冰箱，空調，DVD等）中，都大量使用著各種

2、各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在 所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產的電能中有百分之六十是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關，密不可分。電氣時代，電動機的調速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。然而近年來，隨著技術的發(fā)展和進步，以及市場對產品功能和性能的要求不斷提高，直流電動機的應用更加廣泛，尤其是在智能機器人中的應用。直流電動機的起動和調速性

3、能、過載能力強等特點顯得十分重要，為了能夠適應發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動機的調速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心—單片機，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、大存儲容量和強I/O功能等方向發(fā)展。隨著計算機檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機已越來越廣泛地應用在各種領域的控制、自</p><p><b>　　1 總體方案設計</b></p>&l

4、t;p><b>　　1.1 系統(tǒng)方案</b></p><p>　　針對本課題的設計任務，進行分析得到：本次課程設計以AT89C52單片機為核心，以5個彈跳按鈕作為輸入端，達到控制直流電機的正轉、反轉、停止、加速、減速。在設計中，采用PWM技術對電機進行控制。</p><p><b>　　1.2 系統(tǒng)構成</b></p><

5、;p>　　該直流電機控制系統(tǒng)的設計，在總體上大致可分為以下5個部分組成：輸入模塊，AT89C52單片機，電源模塊，驅動模塊，直流電機。</p><p>　　系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　1.3 電路工作原理</p><p>　　根據(jù)勵磁方式不同，直流電機分為自勵和他勵兩種類型。不

6、同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。對于直流電機來說，認為機械特性方程式為：</p><p>　　n=UN/(KeφN)-(Rad+Ra)/(KeKtφ2N)T=n-△n （公式 1-1）</p><p>　　式中UN ，φN ----------額定電樞電壓、額定磁通量；</p><p>　　Ke ，Kt---與電機有關的常數(shù)；</p>

7、<p>　　Rad ，Ra-----電樞外加電阻、電樞內電阻；</p><p>　　n ，△n—理想空載轉速、轉速降。</p><p>　　分析 公式 1-1 可得，當分別改變UN 、φN 和Rad時，可以得到不同的轉速n，從而實現(xiàn)對速度的調節(jié)。由于φ=T，當改變勵磁電流If時，可以改變磁通量φ的大小，從而達到變磁通調速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的

8、勵磁電流If和磁通量φ只能在低于其額定值的范圍內調節(jié)，故只能弱磁調速。而對于調節(jié)電樞外加電阻Rad時，會使機械特性變軟，導致電機帶負載能力減弱。</p><p>　　PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，如電機調速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期

9、內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉速得到控制。當我們改變占空比時，可以得到不同的電機平均速度，從而達到調速的目的。</p><p><b>　　1.4 方案選擇</b&g

10、t;</p><p>　　方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的目的。但是電阻網(wǎng)絡智能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)起來很困難。</p><p>　　方案二：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器

11、的響應時間慢、機械結構容易損壞、壽命較短、可靠性不高。</p><p>　　方案三：采用驅動芯片L298驅動直流電機，L298具有驅動能力強，外圍電路簡單等優(yōu)點。</p><p>　　綜合各方面的因素，采用了方案三。</p><p><b>　　2 硬件電路設計</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)分析與硬件設計

12、</p><p>　　鍵盤向單片機數(shù)日相應控制指令，由單片機通過P3.0與P3.1其中一口輸出與轉速相應的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大，驅動電動機來控制電路，實現(xiàn)電動機轉向和轉速的控制。</p><p>　　2.2 單片機AT89C52</p><p>　　采用AT89C52是MSC-51系列單片機的升級版，由世界著名半導體公司ATMEL在購買MSC-

13、51設計結構后，利用自身優(yōu)勢技術———閃存生產技術對舊技術進行改進和擴展，同時使用新的半導體生產工藝，最終得到成型產品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的51內核，結合公司自身技術進行改進生產，推廣了一批如51F020等高性能單片機。</p><p>　　AT89C52片內集成256字節(jié)程序運行空間，8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64k外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設置在

14、0-33M之間。片內資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設置低耗能模式、看門狗和斷電保護?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內正常工作。不斷發(fā)展的半導體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插PID-40的封裝。&l

15、t;/p><p>　　2.3 復位電路和時鐘電路</p><p>　　復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊，復位電路通常分為兩種：上電復位和手動復位。</p><p>　　有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復位，所以本次設計選用手動復位。</p><p>　　2.4 直流電機驅動電路設計<

16、/p><p>　　由于單片機P3口輸出的電壓最高才有5V，難以直接驅動直流電機。所以我們需要使用恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298來驅動電機。L298可接受標準TTL邏輯電平信號，可接4.5~7V電壓。4腳接電源電壓，電壓范圍+2.5~46V。輸出電流可達2.5A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅動2個電動機，OUT1,OUT2和OUT3,OUT

17、4之間可分別接電動機。本設計我們選用驅動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。同時需要加四個二極管在電機的兩端，防止電機反轉的時候產生強大的沖擊電流燒壞電機。具體驅動電路如下：</p><p><b>　　圖2 驅動電路</b></p><p>　　2.5 鍵盤電路設計</p><p>　　正轉、反轉、停止、加速、

18、減速五個開關分別與單片機的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4相連，然后再與地相連。正轉實現(xiàn)直流電機的正轉，反轉實現(xiàn)直流電機的反轉，停止實現(xiàn)直流電機的停轉，加速實現(xiàn)直流電機的加速，減速實現(xiàn)直流電機的減速，具體鍵盤電路如下：</p><p><b>　　圖3 鍵盤電路</b></p><p><b>　　軟件設計</b></p&

19、gt;<p>　　3.1 應用軟件的編制和調試</p><p>　　使用Keil軟件編程時，項目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項目的流程較為相似。</p><p>　　(1)創(chuàng)建一個項目，從器件庫中選擇目標器件，配置工具設置；</p><p>　　(2)用C語言或會變語言創(chuàng)建源程序；</p><p>　　(3)用項目管理器生成應用；&l

20、t;/p><p>　　(4)修改源程序中的錯誤；</p><p>　　(5)測試，連接應用。</p><p>　　3.2 程序總體設計</p><p>　　利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅動直流電機，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時間，達到使電機正轉、反轉、停止、加速、減速等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1管腳產生PWM信號，經(jīng)驅動電路

21、輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用延時法進行設計。單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。按動正轉按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時實現(xiàn)電機正轉，P3.1為高電平時實現(xiàn)電機反轉。根據(jù)不同的加減速按鈕，調整P3.0/P3.1輸出高低電平時的有效值，進而控制電機的加減速。其主程序流程如圖2所示：</p><p>　　圖4 主程序流程圖</p><p><b>　　3.3 仿真圖形&l

22、t;/b></p><p>　　按下“正轉”按鈕，直流電機運行效果如圖所示：</p><p><b>　　圖5 電機正轉</b></p><p>　　按下“加速”按鈕，直流電機正向加速，運行效果如圖所示：</p><p>　　圖6 電機正轉加速</p><p>　　按下“減速”按鈕，直流

23、電機正向減速，運行效果如圖所示：</p><p>　　圖7 電機正轉減速</p><p>　　按下“停止”按鈕，直流電機停止運轉，運行效果如圖所示：</p><p><b>　　圖8 電機停轉</b></p><p>　　按下“反轉”按鈕，直流電機開始反轉，運行效果如圖所示： </p><p>

24、;<b>　　圖9 電機反轉</b></p><p><b>　　4 調試分析</b></p><p>　　在調試時，由于子程序有很多，有時沒法將每一個子模塊都運行到，自然也無法及時發(fā)現(xiàn)其中的疏漏。為了解決這個問題，更好地查找錯誤，我解決的方法是將各個模塊分別進行調試。例如在調試某一模塊時，先將其他模塊用“//”暫時屏蔽掉，直到各個子模塊都健

25、康運行后，再整體調試，這樣我們更加容易找出錯誤，增加效率。軟件調試需要不斷的在單片機上執(zhí)行看輸出的結果，如果每次都在硬件上操作比較麻煩，因此我使用了“Proteus”仿真軟件，將我們的電路硬件搭建出來，在這個平臺上調試軟件，并且達到了比較好的效果。</p><p>　　5 結論及進一步設想</p><p>　　根據(jù)實驗結果，本設計基本完成了設計要求，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)正轉、反轉、加速、減速、停

26、止能功能。但是由于我對數(shù)碼管等顯示模塊掌握度不夠，系統(tǒng)還不能顯示出電機轉速，如果可以再多給我一些時間，我一定能設法用LCD或數(shù)碼管顯示出電機的轉速。。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 王鑒光.電動機控制系統(tǒng).北京:北京機械工業(yè)出版社,1994</p><p>　　[2] 劉小春,首桁.無刷直流電動機的單

27、片機控制.自動化技術與應用,2009</p><p>　　[3] 王小明.電動機的單片機控制.北京:北京航空航天大學出版社,2002</p><p>　　[4] 張堔.直流無刷電動機原理及應用.北京:北京機械工業(yè)出版社,1996</p><p>　　[5] 孫涵芳,徐愛卿.MCS-51/96系列單片機原理及應用.北京:北京航空航天大學出版社,1977</p&g

28、t;<p>　　[6] 何立民.單片機應用技術選編.北京: 北京航空航天大學出版社,2003</p><p>　　[7] 史國生.交直流調速系統(tǒng).北京:化學工業(yè)出版社,2002</p><p>　　[8] 楊興姚.電動機調速的原理及系統(tǒng).北京:北京水利電力出版社,2003</p><p><b>　　課設體會</b></p&

29、gt;<p>　　通過本次課程設計，我從直流電機調速系統(tǒng)的設計與搭建中深深的體會到軟件對于一個系統(tǒng)來說是多么重要。軟件可以說是一個系統(tǒng)的靈魂,在工作中指導硬件按照指定的方案運行。對于剛學匯編不久的我來說,編制一個完整的系統(tǒng)軟件可謂無任何經(jīng)驗可言。在設計過程中,我們主要學習體會了單個模塊的搭建與編程,例如鍵盤子程序, 中斷子程序等等。在這個系統(tǒng)搭建過程中,不但要將這些子模塊有機的結合在一起,還要讓它們較好的協(xié)調起來,按照我們

30、思路運行，可以說是比較困難的。</p><p>　　由于我缺乏經(jīng)驗，所以經(jīng)常犯下許多低級錯誤。單片機編程是不能想當然的，我最容易犯的錯誤就是不經(jīng)論證就去按照自己覺得可行的思路去進行，往往導致系統(tǒng)不能正常工作。例如我原來在編制顯示子程序時，只記得將相應段碼與位碼相對照，卻忘記了實際硬件是共陰極還是共陽極；還有顯示間隔時間的問題，我本以為長短無所謂，但結果是如果間隔大于10ms就會產生閃爍感，導致沒有靜態(tài)的效果，而間

31、隔太短的話必須在顯示下一個之前，將前一個位選清除，否則就容易產生“串位”，導致顯示的不正常；在鍵盤掃描子程序中，當有鍵按下做相應操作，必須當按鍵釋放時才能繼續(xù)掃描，否則將導致一次按下執(zhí)行多次的錯誤情況… …雖然遇到了許多困難，但是在老師的幫助下，我還是完成了這次的課程設計。通過本次課程設計，我進一步了解了系統(tǒng)搭建的過程和系統(tǒng)軟件編程的步驟，為今后的學習打下良好的基礎。</p><p>　　在這里我要感謝我的指導老

32、師XX老師。X老師工作很忙，但還是在我做課程設計的時間里一直關心我的進展，從設計方案的確定和修改，仿真的檢查，及后來的詳細設計等過程中都給了我很大的支持和關注。本次課程設計讓我把理論應用到了實踐，同時通過課程設計，也加深了我對專業(yè)理論知識的理解和掌握。在解決問題的過程中，我查閱了大量專業(yè)書籍，獲得了許多專業(yè)知識，拓展了視野，提高了我的理論水平和實際的動手能力，并讓我學會了解決問題的方法，激發(fā)了我的探索精神。這樣的課程設計是很好的鍛煉機會

33、，課程設計使我深入的了解到了實踐能力對于工科學生的重要性，增強了我們的實踐動手能力，也為我接下來大四的畢業(yè)設計提供了寶貴的經(jīng)驗。</p><p>　　[2012年7月 19日完成]</p><p>　　附錄1 電路原理圖</p><p><b>　　附錄2 程序清單</b></p><p>　　#include<

34、;at89x51.h></p><p>　　#define unchar unsigned char</p><p>　　#define unint unsigned int</p><p>　　unsigned char code dispcode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x

35、88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf};//顯示代碼</p><p>　　unsigned char dispbitcode[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};//位選口</p><p>　　unsigned char dispbuf[4]={0,0,0,0};</p><p>　　unsigned char di

36、spbitcnt;</p><p>　　unint mstcnt;</p><p><b>　　unint i;</b></p><p>　　unint count=0;</p><p>　　unchar tp=0;</p><p>　　void ledshow();</p><

37、;p>　　void keyscan();</p><p>　　void delay();</p><p>　　void just();</p><p>　　void turn();</p><p>　　void motorstop();</p><p>　　void speedup();</p>&

38、lt;p>　　void speeddown();</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P3_0=1;</b></p><p><b>　　P3_1=0;</b></p>&l

39、t;p>　　dispbuf[0]=16;</p><p>　　TMOD=0x02;</p><p><b>　　TH0=0x06;</b></p><p><b>　　TL0=0x06;</b></p><p><b>　　TR0=1;</b></p>&l

40、t;p><b>　　ET0=1; </b></p><p><b>　　EA=1;</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ledshow();//數(shù)碼管顯示</

41、p><p>　　keyscan();//鍵盤掃描</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//延時10ms程序</p><p>　　void delay()</p><p><b>　　

42、{</b></p><p>　　unsigned char i,j;</p><p>　　for(i=20;i>0;i--)</p><p>　　for(j=248;j>0;j--);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//鍵盤掃

43、描程序</b></p><p>　　void keyscan()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unchar temp=0;</p><p><b>　　P1=0xff;</b></p><p>　　if((P1&0x1f)!

44、=0x1f)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　delay();</b></p><p>　　if((P1&0x1f)!=0x1f)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=P1&a

45、mp;0x1f;</p><p>　　switch(temp)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　case 0x1e:</p><p>　　just();break;</p><p>　　case 0x1d:</p><p>　　turn();br

46、eak;</p><p>　　case 0x1b:</p><p>　　motorstop();break;</p><p>　　case 0x17:</p><p>　　speedup();break;</p><p>　　case 0x0f:</p><p>　　speeddown();br

47、eak;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　while((P1&0x1f)!=0x1f);</p><p><b>　　}<

48、/b></p><p><b>　　//數(shù)碼管顯示程序</b></p><p>　　void ledshow()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　//P0=dispcode[dispbuf[dispbitcnt]];</p><p>　　//

49、P2=dispbitcode[dispbitcnt];</p><p>　　//dispbitcnt++;</p><p>　　//if(dispbitcnt==4)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　//dispbitcnt=0;</p><p><b>　　

50、}</b></p><p>　　P2=0x01;P0=dispcode[dispbuf[0]];</p><p>　　for(i=0;i<700;i++);</p><p>　　P2=0x02;P0=dispcode[dispbuf[1]];</p><p>　　for(i=0;i<700;i++);</p>

51、;<p>　　P2=0x04;P0=dispcode[dispbuf[2]];</p><p>　　for(i=0;i<700;i++);</p><p>　　P2=0x08;P0=dispcode[dispbuf[3]];</p><p>　　for(i=0;i<700;i++);</p><p>　　dispbu

52、f[1]=tp/100;</p><p>　　dispbuf[2]=(tp%100)/10;</p><p>　　dispbuf[3]=tp%10;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//中斷服務程序</b></p><p>　　void t

53、0(void) interrupt 1 using 0</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　mstcnt++;</b></p><p>　　if(mstcnt==8)</p><p><b>　　{</b></p><p>

54、;<b>　　mstcnt=0;</b></p><p>　　P0=dispcode[dispbuf[dispbitcnt]];</p><p>　　P2=dispbitcode[dispbitcnt];</p><p>　　dispbitcnt++;</p><p>　　if(dispbitcnt==4)</p&

55、gt;<p><b>　　{</b></p><p>　　dispbitcnt=0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(count>100)</p><p>&l

56、t;b>　　count=0;</b></p><p>　　if(count>tp)</p><p><b>　　P3_7=0;</b></p><p>　　else P3_7=1;</p><p><b>　　count++;</b></p><p>

57、<b>　　}</b></p><p>　　void just()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P3_0=1;</b></p><p><b>　　P3_1=0;</b></p><p>　　

58、dispbuf[0]=16;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void turn()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P3_0=0;</b></p><p><b>　　P3_1=

59、1;</b></p><p>　　dispbuf[0]=17;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void motorstop()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　tp=0;</b>

60、;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void speedup()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(tp>99)</b></p><p><b>　　tp=100;<

61、;/b></p><p>　　else tp++;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void speeddown()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　if(tp<1)</b>&l