基于單片機的直流電動機PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

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1、本文僅供參考 目錄 1 引言 1 2 直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 1 3 直流電機PWM 調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成 2 4 設(shè)計方案1 3 4.1 主控電路設(shè)計 3 4.1.1 P89V51RD2概述 3 4.1.2 特性 3 4.1.3 用到的功能 4 4.1.3.1 脈寬調(diào)節(jié)模式 4 4.1.3.2 16位軟件定時器模式 4 4.1.3.3 定時器/計數(shù)器0和1 4 4.1.4 電路設(shè)計 5 4.2 鍵盤接口和顯示電路設(shè)計 5 4.2.1 ZLG7290模塊簡介 5 4.2.1.1 特點 5 4.2.1.2 采用24 引腳封裝

2、引腳圖 6 4.2.2 電路設(shè)計 7 4.3 驅(qū)動電路設(shè)計 8 4.3.1 L298簡介 8 4.3.2 L298N的邏輯功能 8 4.3.3 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[7] 9 4.3.4 電路設(shè)計 10 4.4 其他電路設(shè)計 10 4.4.1 單片機程序下載電路 10 4.4.2 電源電路 11 4.4.3 復(fù)位電路 11 4.5 總體電路圖 12 5 系統(tǒng)調(diào)速程序設(shè)計 14 5.1 編程軟件 14 5.2 編程模塊 14 5.2.1 中斷程序部分 14 5.2.2 鍵盤部分和顯示部分 14 5.3 程序框圖 14 5.3.1

3、 定時器中斷程序框圖 14 5.3.2 鍵盤和顯示模塊流程圖 15 5.4 實現(xiàn)功能 16 6 設(shè)計方案2 16 6.1 電路設(shè)計 16 6.2 程序框圖[5] 18 7 操作說明 18 基于單片機的直流電動機PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 摘 要：本文根據(jù)降壓斬波電路原理，結(jié)合在實際中的應(yīng)用，從原理設(shè)計上實現(xiàn)了直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)可行性，論文提出了兩種方案思想，方案1為一個開環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)占空比，進而改變U0的大小，即電動機端電壓的大小，于是改變電動機的轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速的目的，通過鍵盤輸入轉(zhuǎn)速給定，查表計算對應(yīng)占空比。方案2為一個閉環(huán)系統(tǒng)，控制程序按照PID算法

4、自動調(diào)節(jié)占空比，以縮短過度過程，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。本文給出了單片機和接口電路的硬件詳細介紹和相關(guān)電路設(shè)計和程序框圖設(shè)計。 關(guān)鍵詞：PWM ，調(diào)速系統(tǒng)，占空比，P89V51RD2,L298 1 引言 隨著計算機進入控制領(lǐng)域以及高開關(guān)頻率、全控型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM） 的直流調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速控制中得到越來越普遍的使用。PWM(脈沖寬度調(diào)制)功率放大器具有功耗低，效率高，體積小，價格低，工作可靠等優(yōu)點，并且大大降低了電路的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，直流電動機采用PWM調(diào)速已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)中一般采用硬件作為脈沖發(fā)生器的方式，應(yīng)用的元件較多，同樣會增加

5、電路的復(fù)雜程度。為此，本文介紹一種靠軟件發(fā)出脈沖信號來實現(xiàn)直流電動機調(diào)速控制的方法，本系統(tǒng)具有功率器件體積小，功率大，損耗低，控制靈活簡單，效率高的特點。 2 直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 PWM 調(diào)速裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)接通和斷開時間的長短，通過改變直流伺服電動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(zhuǎn)速。占空比越高轉(zhuǎn)速越快，反之亦然。因此，這種裝置又稱為開關(guān)驅(qū)動裝置，PWM 控制的示意圖，如圖1 所示。 圖1 這是一個直流降壓斬波電路。電壓平均值Ud可用下式表示為U

6、d=E*ton/(ton+toff)=E*ton/T=αE （1）,式中ton —開關(guān)每次接通的時間；T —開關(guān)通斷的時間周期；α —占空比，α= ton /T 。由此電路得到的電動機兩端的電壓波形，如圖2 所示。 圖2 在他勵直流電動機中，有Ea=Ua-IaRa（2），式中Ua—電機的端電壓，Ua=U-IaRΩ，當Ia=0或RΩ=0時，Ua=U。若忽略電阻壓降IaRa，并考慮Ea=Ceфn,則式（2）變?yōu)閚≈Ua/Ceф（3）。 由(1),(3)兩式可見，改變開關(guān)接通時間ton 和開關(guān)周期T 的比例亦即改變脈沖的占空比，電動機兩端的電壓平均值也隨之改變，電動機的轉(zhuǎn)速與端電壓成正比，

7、而端電壓與占空比成比例。因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。改變占空比有兩種調(diào)制方法：一種是開關(guān)周期恒定，通過改變導(dǎo)通脈沖寬度來改變占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation ，縮寫為PWM）；另一種方式為導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)頻率( f = 1/T ) 來改變占空比，亦即脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation ，縮寫為PFM）。[1]由于PFM 控制是依靠脈沖頻率來改變占空比的，當遇到某個特殊的頻率下的機械諧振時，常導(dǎo)致系統(tǒng)震動和出現(xiàn)嘯叫聲，這一嚴重的缺點導(dǎo)致PFM 控制在伺服系統(tǒng)中不適用。目前，在直流電動機的控制中，以PWM 控制方

8、式為主。 根據(jù)以上原理，本系統(tǒng)采用鍵盤輸入轉(zhuǎn)速給定，按照PID算法自動調(diào)節(jié)占空比，縮短過渡過程、穩(wěn)定速度。本設(shè)計將占空比為1時Ud對應(yīng)轉(zhuǎn)速最大值，這樣調(diào)節(jié)占空比就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速由最大到最小的調(diào)節(jié)。比如可以將一開機占空比初值設(shè)置成50%，轉(zhuǎn)速設(shè)置成最高的一半，則可以通過調(diào)節(jié)占空比，使轉(zhuǎn)速可以在設(shè)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這個設(shè)置在編制程序中設(shè)定。 3 直流電機PWM 調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成 該直流電動機PWM 調(diào)速系統(tǒng)由上位機（PC 機）、單片機P89V51RD2、功率集成電路芯片L298 和直流電動機組成，如圖3 所示。在整個PWM 調(diào)速器中，PC 機作為主控制器，其上運行控制主程序，提供用戶界面，并

9、且根據(jù)系統(tǒng)提供的信息將電動機運行的指令（速度值）下達給單片機。單片機作為底層控制器，運用一定的控制算法完成電動機的速度控制。 圖3 4 設(shè)計方案1 根據(jù)給定轉(zhuǎn)速，通過查表或者計算，得到對應(yīng)的占空比，進行改變轉(zhuǎn)速。設(shè)電機轉(zhuǎn)速n=f(u), u=αE,由這兩個關(guān)系式可以推導(dǎo)出α=G(n)，當從鍵盤輸入轉(zhuǎn)速時就可以由α=G(n)解出對應(yīng)占空比的值，就可以向單片機的PWM寄存器中送入256*α的值，這樣就從單片機的PWM模塊中輸出了占空比為α的PWM波，電機的轉(zhuǎn)速為給定值。這種情況是理想的情況，當電機負載或者電壓E發(fā)生變化，α=G(n)就會發(fā)生變化，這時通過計算或者查表得出的占空比

10、就和實際情況發(fā)生偏差，這時電機的轉(zhuǎn)速就會偏離給定的轉(zhuǎn)速。這種方案控制簡單，實現(xiàn)容易，但是只適用于轉(zhuǎn)速控制精度不高和負載變化不大的情況。 4.1 主控電路設(shè)計 采用P89V51RD2單片機為主控芯片，可以將編好的程序通過計算機串口下載到芯片中，而不必通過編程器下載。芯片內(nèi)部含有flash和RAM，無須擴展外部存儲器，使用方便。而且含有pwm模塊，適合輸出PWM波，簡單方便。 4.1.1 P89V51RD2概述 P89V51RD2是一款80C51微控制器，包含64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。 Flash程序存儲器支持并行和串行在系統(tǒng)編程（ISP）。并行編程方式提供了

11、高速的分組編程（頁編程）方式，可節(jié)省編程花費和推向市場的時間。ISP允許在軟件控制下對成品中的器件進行重復(fù)編程。應(yīng)用固件的產(chǎn)生/更新能力實現(xiàn)了ISP的大范圍應(yīng)用。[2] 4.1.2 特性 80C51核心處理單元； 5V的工作電壓，操作頻率為0～40MHz； 64kB的片內(nèi)Flash程序存儲器，具有ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應(yīng)用中編程）功能； 通過軟件或ISP選擇支持12時鐘（默認）或6時鐘模式； SPI（串行外圍接口）和增強型UART； PCA（可編程計數(shù)器陣列），具有PWM和捕獲/比較功能； 4個8位I/O口，含有3個高電流P1口（每個I/O口的電流

12、為16mA）； 3個16位定時器/計數(shù)器； 可編程看門狗定時器（WDT）； 8個中斷源，4個中斷優(yōu)先級； 2個DPTR寄存器； 低EMI方式（ALE禁能）； 兼容TTL和CMOS邏輯電平； 掉電檢測； 低功耗模式 掉電模式，外部中斷喚醒； 空閑模式； [3] 4.1.3 用到的功能 4.1.3.1 脈寬調(diào)節(jié)模式 所有PCA模塊都可用作PWM輸出，所以把PCA模塊設(shè)置成PWM輸出模塊。輸出頻率取決于定時器的時鐘源。 圖4[2] 由于所有模塊共用僅有的PCA

13、定時器，所以他們的輸出頻率相同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器CCAPnL有關(guān)，脈寬的數(shù)值保存在PCA定時器中，和CCPA在8位比較器進行比較，當PCA CL SFR的值小于CCAPnL SFR時，輸出為低，當PCA CL SFR的值等于或大于時，輸出為高。即產(chǎn)生了脈寬可調(diào)的PWM波，當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，的內(nèi)容裝載到CCAPnL中，這樣就可以實現(xiàn)無干擾地更新PWM。另外，要使能PWM模式，模塊CCAPMn寄存器的PWM和ECOM位必須置位。 4.1.3.2 16位軟件定時器模式 通過置位CCAPMn寄存器的ECOM和MAT位，可使PCA模塊用作軟件定時器

14、，PCA定時器的值與模塊捕獲器的值相比較，當兩者相等時，如果位CCFn（CCON SFR）和位ECCFn（CCAPMn SFR）都置位，將產(chǎn)生中斷。 4.1.3.3 定時器/計數(shù)器0和1 2個16位定時器/計數(shù)器：定時器0和定時器1。兩者可配置成定時器或事件計數(shù)器。用做定時器功能時，每經(jīng)過一個機器周期，寄存器加1。因此，可以將一個機器周期看做計數(shù)周期。由于一個機器周期由6個振蕩周期組成，所以，定時器的計數(shù)率為1/6振蕩頻率。 4.1.4 電路設(shè)計 圖5 P1.5為 PWM輸出口，M0，M1輸出0，1電平，設(shè)置當都為0或者1時，電動機停止；當為1，0時正轉(zhuǎn)，0，1時反轉(zhuǎn)

15、，程序存儲在Flash程序存儲器中 4.2 鍵盤接口和顯示電路設(shè)計 采用ZLG7290芯片，可以通過鍵盤調(diào)節(jié)脈寬，進而調(diào)節(jié)占空比，改變電動機轉(zhuǎn)速。 4.2.1 ZLG7290模塊簡介 4.2.1.1 特點 1 I2C 串行接口提供鍵盤中斷信號方便與處理器接口 2 可驅(qū)動8 位共陰數(shù)碼管或64 只獨立LED 和64 個按鍵 3 可控掃描位數(shù)可控任一數(shù)碼管閃爍 4 提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán)移位段尋址等控制 5 8 個功能鍵可檢測任一鍵的連擊次數(shù) 6 無需外接元件即直接驅(qū)LED 可擴展驅(qū)動電流和驅(qū)動電壓 7 提供工業(yè)級器件多種封裝形式PDIP24 SO24。[4] 4.2.1

16、.2 采用24 引腳封裝引腳圖 如圖6所示 圖6[4] 4.2.2 電路設(shè)計 圖7 鍵盤接口模塊電路（圖7中上半部分） 圖中的14個鍵為0-13號，為數(shù)字輸入控制電動機的轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)及停止。 顯示模塊電路（圖7中下半部分） 采用8個共陰極數(shù)碼管，采用比較省電的動態(tài)顯示方式。[6] 圖8 圖8為圖7的左下角部分的放大，I2C接口的5接正，3接負，4接單片機P89V51RD2的p1.6口，2接p1.7，1接p3.2（圖中未畫），用來3位顯示0-256的數(shù)字。 4.3 驅(qū)動電路設(shè)計 采用L298驅(qū)動器，接受單片機的輸入信號并放大，驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)。

17、4.3.1 L298簡介 L298N 是SGS 公司的產(chǎn)品, 內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路, 是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器,即內(nèi)含二個H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器,接收標準TTL 邏輯電平信號, 可驅(qū)動46V、2A 以下的電機。其內(nèi)部具有2 個完全相同的PWM 功率放大回路， L298 可驅(qū)動2 個電機, OUT1、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個電動機。5、7、10、12 腳接輸入控制電平, 控制電機的正反轉(zhuǎn), ENA, ENB 接控制使能端, 控制電機的停轉(zhuǎn)。L298 的邏輯功能如表1所示。 4.3.2 L298N的邏輯功能 表1 L298N的邏輯功能

18、 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同IN2(IN4) 同IN1(IN3) 快速停止 L X X 停止 4.3.3 L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[7] 圖9 4.3.4 電路設(shè)計 圖10 圖10中，單片機發(fā)出的PWM信號經(jīng)6輸入，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速；單片機發(fā)出的0，1電平由M0和M1口發(fā)出，經(jīng)5和7輸入，控制電動機的正反轉(zhuǎn)和停止。根據(jù)表1，可改為表2，如下所示 表2 輸入 功能 PWM為高 M0=1;M1=0 正轉(zhuǎn) M0=0;M1=1 反轉(zhuǎn) M0=M1 快速

19、停止 PWM為低 M0,M1無論為何種狀態(tài) 不轉(zhuǎn) 4.4 其他電路設(shè)計 4.4.1 單片機程序下載電路 圖11 單片機程序下載電路 通過MAX232ACPE芯片把計算機發(fā)送的232電平轉(zhuǎn)換為TTL電平 4.4.2 電源電路 圖12 電源電路 MC7805把10v轉(zhuǎn)換成5v供單片機使用，給單片機供電 4.4.3 復(fù)位電路 上電復(fù)位 器件的復(fù)位輸入是RST腳。要使器件復(fù)位，振蕩器運行穩(wěn)定后，RST腳上的邏輯高電平至少要保持2個機器周期，（24個時鐘周期），初始上電后，端口管腳可能是任何一種狀態(tài)，直到振蕩器穩(wěn)定起振和內(nèi)部復(fù)位邏輯將

20、所有管腳微弱拉高。無有效復(fù)位的器件上電會使MCU從一個不確定的地址開始執(zhí)行程序。這樣未定義的狀態(tài)會破壞flash的代碼。器件通電后，RST腳上的高電平除了要保持有效上電復(fù)位所需的2個機器周期外，還要保持一段時間，以便振蕩器能穩(wěn)定起振（低頻振蕩器需要幾個毫秒）。所以給出一個延長RST信號的方法：將RST腳通過一個10uF的電容連接到VDD和通過一個8.2kΩ的電阻連接到Vss，即搭建一個RC電路，如圖13所示。如果使用了RC電路，要確保VDD的上升時間小于1ms，振蕩器的起振時間小于10ms。[2] 圖13 上電復(fù)位電路原理圖 圖14 單片機復(fù)位電路 本電路圖可以實

21、現(xiàn)手動復(fù)位 4.5 總體電路圖 圖15 5 系統(tǒng)調(diào)速程序設(shè)計 5.1 編程軟件 采用Keil uVision3，這是KEIL公司的單片機編譯、仿真、調(diào)試的集成環(huán)境 5.2 編程模塊 5.2.1 中斷程序部分 通過鍵盤改變PCA里的值，設(shè)置每隔一定時間向PCA里送值，一般每隔20ms向PCA送值一次，如果定時器不重裝，送往PCA里的數(shù)值就會送的太快或者太慢，所以必須讓定時器每隔一定時間重裝。這里選擇定時器0。[8] 5.2.2 鍵盤部分和顯示部分 鍵值寄存器Key 地址01H 復(fù)位值00H Key 表示被壓按鍵的鍵值當Key=0 時表示沒有

22、鍵被壓按。閃爍控制寄存器FlashOnOff 地址0CH 復(fù)位值0111B/0111B 高4 位表示閃爍時亮的時間。低4 位表示閃爍時滅的時間改變其值同時也改變了閃爍頻率也能改變亮和滅的占空比。FlashOnOff的1 個單位相當于150 250ms 亮和滅的時間范圍為1 16 0000B 相當1 個時間單位所有象素的閃爍頻率和占空比相同。[4]設(shè)置Key=0到13這14個值，0到9為數(shù)字鍵，用于輸入轉(zhuǎn)速，10，11，12分別用于控制正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止，按鍵13為確認鍵。 5.3 程序框圖 5.3.1 定時器中斷程序框圖 圖16 18 5

23、.3.2 鍵盤和顯示模塊流程圖 圖17 鍵盤和顯示模塊流程圖 5.4 實現(xiàn)功能 通過鍵盤調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，占空比0--100%可調(diào)；顯示轉(zhuǎn)速；調(diào)節(jié)電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 6 設(shè)計方案2 這是個閉環(huán)系統(tǒng)如下圖，給定速度，通過反饋檢測速度，比較調(diào)節(jié)，自動根據(jù)PID算法改變占空比使輸出在給定的速度值上穩(wěn)定，所以對電路和程序要做一定的改動。 圖18 電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制圖 6.1 電路設(shè)計 為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的檢測，本文設(shè)計了一個測速裝置如圖19，在電機的軸上加一個圓盤，上面根據(jù)一定的精度要求刻有數(shù)量一定的縫，當光線通過縫隙時，光電開關(guān)接受

24、到光，輸出低電平；當光線被遮擋時，光電開關(guān)輸出高電平。當盤子隨著電機轉(zhuǎn)動時，光電開光交替導(dǎo)通與截止，光電開關(guān)的開關(guān)頻率除以縫的數(shù)目即是電機的轉(zhuǎn)速。在圖的右下角加了一個光電開關(guān)電路，通過程序設(shè)置可達到控制轉(zhuǎn)速的作用，當轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值時，則通過程序自動把占空比增加，使轉(zhuǎn)速增加，直到達到設(shè)定值；當轉(zhuǎn)速大于設(shè)定值時，則通過程序自動把占空比減小，使轉(zhuǎn)速減小，直到達到設(shè)定值。 圖19 電機轉(zhuǎn)速測速盤 電路設(shè)計如圖20所示： 圖20 其中放大的光電開關(guān)電路部分如圖21 圖21 可以看出，左邊方框就是光電開關(guān)，右邊是施密特觸發(fā)器，進行波形整形，把波形變規(guī)

25、則。 6.2 程序框圖[5] 圖20 設(shè)計思想為通過給定轉(zhuǎn)速，檢測轉(zhuǎn)速，按照PID算法自動調(diào)節(jié)占空比，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，如果轉(zhuǎn)速達到給定值，則顯示出來，如果沒有，則繼續(xù)按照PID算法調(diào)節(jié)占空比，直到轉(zhuǎn)速達到給定值為止。[5] 7 操作說明 把計算機的串口通過串口線和單片機的串口連在一起，上電，把調(diào)速程序下載到單片機中，然后復(fù)位單片機，運行程序，按照方案1操作，按鍵盤的10，11，12號鍵控制電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止，然后按0到9輸入轉(zhuǎn)速值，控制占空比的變化來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。按照方案2，按鍵盤的1號鍵增加電動機的轉(zhuǎn)速；2號鍵減小電動機的轉(zhuǎn)速；3號鍵實現(xiàn)電動機正轉(zhuǎn)，4號鍵實現(xiàn)電動機反轉(zhuǎn)，按5號鍵電動機停止。