计算机控制关键技术PWM电机速度控制新版专业系统设计专项方案.doc

《计算机控制技术》
课程设计

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二○一一 年十二 月 十六 日
目 录

1.课程设计目标1
2. 课程设计题目和要求1
2.1课程设计要求和内容<包含原始数据、技术要求、工作要求）1
2.2课程设计图纸内容及张数1
3.设计内容2
3.1 设计方案选定和说明。(依据给定任务，对所确定设计方案进行简明叙述>2
3.1.1 系统总方案论证和选择2
3.1.2 设计模块方案比较和分析3
3.2设计方案图表4
<一）PWM波软件软件设计4
<二）测速软件设计5
<三）直流电机调速功效仿真6
1．调速前波形图7
2．调速后波形图7
<四）电机速度测量并显示功效仿真7
<五）系统电路原理图8
<六）系统PCB图8
3.3叙述方案各部分工作原理9
3.3.1 8051单片机基础组成9
3.3.2 PWM基础原理10
3.3.3 PWM发生电路关键芯片工作原理11
3.3.4 H桥驱动电路12
3.3.5 霍尔传感器工作原理13
3.3.6 PI 转速调整器原理图及参数计算14
3.4相关计算14
3.5编写设计说明书21
4. 设计总结22
参考书目22

1.课程设计目标
经过本课程设计, 关键训练和培养学生以下能力:
(1>.查阅资料：搜集和本设计相关部门资料(包含从已发表文件中和从生产现场中搜集>能力；
(2>.方案选择：树立既考虑技术上优异性和可行性,又考虑经济上合理性,并注意提升分析和处理实际问题能力；
(3>.快速正确进行工程计算能力,计算机应用能力；
(4>.用简练文字,清楚图表来表示自己设计思想能力。

2. 课程设计题目和要求
2.1课程设计要求和内容<包含原始数据、技术要求、工作要求）

1.要求设计电机速度控制系统，要求无余差，超调小。
2.硬件采取51系列单片机，采取直流作为驱动元件。
3采取keil c作为编程语言，采取结构化设计方法
2.2课程设计图纸内容及张数

1.要求用protel设计出硬件电路图。
2.画出系统控制框图。
3.画出软件步骤图。

3.设计内容
3.1 设计方案选定和说明。(依据给定任务，对所确定设计方案进行简明叙述>
3.1.1 系统总方案论证和选择
方案一：直接加直流电源来控制电机转动速度；依据电动机在其额定电压时，电动机有一定额定转速。依据其输入电压减小，其转动速度也对应减小。从而在传统改变电动机转速问题中，就是利用所给电动机电压不一样，而达成大家所需要大约速度。
方案二：以单片机AT89C51为中心经过D/A转换器,将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机转速问题。其中在单片机控制部分经过按键直接从程序中调出所需要速度值，同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现电动机调速。

键盘
AT89C51单片机
数码显示
D/A0832转换
电动机

图1 电路组成框图
方案三：采取AT89C51单片机进行控制。本设计需要使用软件资源比较简单，只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分和显示输出功效。采取AT89C51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。输出速度调整是经过键操作，显示速度。AT89C51是一个带4K字节闪烁可编程可擦除只读存放器低电压，高性能CMOS8位微处理器.含有4K字节可编程闪烁存放器,可擦除只读存放器(PEROM>, ATMELAT89C51是一个高效微控制器. AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案. 三级程序存放器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中止源、可编程串行通道、低功耗闲置和电模式、片内振荡器和时钟电路：
电路框图图2

图2 电路组成框图
方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电动机转速有对应减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能立即从电动机那里得到对应转动速度，而是直接从程序哪儿调用对应数值给数码显示。所以，此处电路在速度显示上失去了其真实性。方案三在可操作性和实时性方面全部全部结合了本专业特点，从控制理论和控制技术出发，充足发挥和应用本学科特点。所以，设计采取方案三。
3.1.2 设计模块方案比较和分析
电机调速控制模块：
方案一：采取电阻网络或数字电位器调整电动机分压，从而达成调速目标。不过电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻元器件价格比较昂贵。更关键问题在于通常电动机电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：采取继电器对电动机开或关进行控制，经过开关切换对电机速度进行调整。这个方案优点是电路较为简单，缺点是继电器响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：采取由达林顿管组成H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调开关状态，正确调整电动机转速。这种电路因为工作在管子饱和截止模式下，效率很高；H型电路确保了能够简单地实现转速和方向控制；电子开关速度很快，稳定性也极佳，是一个广泛采取PWM调速技术。
兼于方案三调速特征优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，所以本设计采取方案三。
3.2设计方案图表
<一）PWM波软件软件设计
程序步骤图：

产生矩形波
开始
按键查询
OPEN是否按下
时
定时器T0开始计时
Add_speed是否按下
初始化
是
是
增大矩形波占空比
Sub_speed是否按下
是
减小矩形波占空比
Swap或close是否按下
改变转向或关闭电机

软件电机控制方框图
<二）测速软件设计
开始
初始化
OPEN是否按下

定时器T1开始计时

对单位时间内脉冲计数 N
依据公式计算出电机速度
液晶显示电机速度

软件测速方框图

<一）电路原理图

LCD显示电路
<二）霍尔传感器电路原理图

霍尔传感器测速电路
<三）直流电机调速功效仿真
当按下open键时，电机开始工作。若需要加紧电机转速，则按下add_speed键，直到电机转速适中；相反，需要减慢电机转速时，则按下sub_speed键，待转速满意后，放开按键。当然，在某种特定环境下，还需改变电机转速，此时，你能够按一下swap键，以达成改变电机转向目标。当电机不工作时，则按下close键。

直流电机调速系统Proteus仿真图

1．调速前波形图

电机开启时脉冲波形占空比

2．调速后波形图

电机减速后脉冲波形占空比
<四）电机速度测量并显示功效仿真
对电机转速显示，为使用者提供了更为直观界面。用户能够依据液晶显示器上数字，调整电机转速，为调速提供了方便。从显示数字稳定程度，也能够判定电机转速稳定性。若显示数字几乎不变，则说明电机工作十分稳定；和之相反，显示数字不停地改变，则说明电机工作很不稳定。

直流电机系统Proteus仿真
<五）系统电路原理图

直流电机调速系统Protel原理图

由电源模块、单片机控制单元、电机驱动电路、LCD显示电路、霍尔传感器电路组成。
<六）系统PCB图

3.3叙述方案各部分工作原理
3.3.1 8051单片机基础组成
8051单片机由CPU和8个部件组成，它们全部经过片内单一总线连接，其基础结构仍然是通用CPU加上外围芯片结构模式，但在功效单元控制上采取了特殊功效寄存器集中控制方法。其基础组成以下图所表示：

图2-2 8051基础结构图
2．CPU及部分部件作用功效介绍以下
中央处理器CPU：它是单片机关键，完成运算和控制功效。
内部数据存放器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存放器使用只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说内部数据存放器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
内部程序存放器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存放程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
定时器：8051片内有2个16位定时器，用来实现定时或计数功效，而且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中止控制系统：该芯片共有5个中止源，即外部中止2个，定时/计数中止2个和串行中止1个。

3. 8051单片机引脚图

图2-3 8051单片机引脚图
3.3.2PWM基础原理
PWM<脉冲宽度调制）是经过控制固定电压直流电源开关频率，改变负载两端电压，从而达成控制要求一个电压调整方法。PWM能够应用在很多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制调整系统中，按一个固定频率来接通和断开电源，而且依据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间长短。经过改变直流电机电枢上电压“占空比”来达成改变平均电压大小目标，从而来控制电动机转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。图2-8所表示：

图2-8 PWM方波
设电机一直接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指是电机平均速度；Vmax 是指电机在全通电时最大速度；D = t1 / T是指占空比。
由上面公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就能够得到不一样电机平均速度Vd，从而达成调速目标。严格来说，平均速度Vd 和占空比D并非严格线性关系，不过在通常应用中，我们能够将其近似地看成是线性关系。
3.3.3 PWM发生电路关键芯片工作原理
1．数据比较器
含有数据比较功效芯片有74LS6828，74LS6838等8位数值比较器，4位数值比较器4585等。本PWM发生电路经过两片4位数值比较器4585就可实现PWM信号产生，所以选择4585作为信号发生电路。芯片4585引脚图：
图2-10 4585引脚图

2．串行计数器
系统PWM信号发生电路中还使用到一片串行计数器，有串行计数功效芯片有4024、4040等，它们含有相同电路结构和逻辑功效，但4024是7位二进制串行计数器，而芯片4040是一个12位二进制串行计数器，全部计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，因为在时钟输入端使用施密特触发器，故对脉冲上升和下降时间没有限制，全部输入和输出均经过缓冲。本系统使用4040作为串行计数器，芯片4040引脚图图2-11所表示：
图2-11 4040引脚图

3.3.4H桥驱动电路
图2-1所表示H桥式电机驱动电路包含4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它形状酷似字母H。图1.1-1所表示，要使电机运转，必需导通对角线上一对三极管。依据不一样三极管正确导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机转向。

图4H桥驱动电路
要使电机运转，必需使对角线上一对三极管导通。比如，图2-2所表示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所表示，该流向电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动<电机周围箭头指示为顺时针方向）。

图5H桥驱动电机顺时针转动
图2-3所表示为另一对三极管Q2和Q3导通情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动<电机周围箭头表示为逆时针方向）。
图6H桥驱动电机逆时针转动
3.3.5 霍尔传感器工作原理
霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B磁场中，假如在它相正确两边通以控制电流I，且磁场方向和电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小和控制电流I和磁感应强度B乘积成正比电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。
工作原理：霍尔开关集成电路中信号放大器将霍尔元件产生幅值随磁场强度改变霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率改变方波信号。信号输出端每输出一个周期方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出脉冲数N，所以可求出单位时间内速度V＝NT。
3.3.6PI 转速调整器原理图及参数计算
图3-1 PI 转速调整器原理图

3.4相关计算
3.4.1 PI 转速调整器参数计算
根据经典II型系统参数选择方法， 转速调整器参数和电阻电容值关系以下:
Kn = Rn/ R0 Γn = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con
参数求法： 电动机 P=10KW U=220V I=55A n=1000转/分 电枢电阻R=0.5欧姆 取滤波电路中Ro=40千欧 Rn=470千欧 Cn=0.2uF Con=1uF 则：
Umax=220V
Umin=<220/0.9）*0.5=122V
Yi-1=0 W=1000转/分
P=Kp=Rn/Ro=11.7
I=Kp*T/Ti=125
3.4.2 相关程序
#include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

sbit open = P2^0。
sbit close = P2^1。
sbit swap = P2^2。
sbit sub_speed = P2^3。
sbit add_speed = P2^4。

sbit PWM1 = P3^0。
sbit PWM2 = P3^1。
/************************液晶显示*************/
sbit E=P3^7。
sbit RW = P3^6。
sbit RS = P3^5。
sbit test = P3^4。
int time = 0。
int high = 20。
int period = 30。
int change = 0。
int flag = 0。
int num_medium = 0。
int num_display = 0。
int count_speed = 0。
uchar wword[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39}。

/*******************延时t毫秒****************/
void delay(uchar t>
{
uint i。
while(t>
{
/*对于11.0592MHz时钟，延时1ms*/
for(i=0。i<125。i++>。
t--。
}
}
//写命令函数LCD
void wc51r(uchar j>
{
RS=0。
RW=0。
P1=j。
E=1。
E=0。
delay(3>。
}

//写数据函数LCD
void wc51ddr(uchar j>
{

RS=1。
RW=0。
P1=j。
E=1。
E=0。
delay(2>。
}

//初始化函数LCD
void init(>
{
wc51r(0x01>。 //清屏
wc51r(0x38>。 //使用8位数据，显示两行，使用5*7字型
wc51r(0x0c>。 //显示器件，光标开，字符不闪烁
wc51r(0x06>。 //字符不动，光标自动右移一格
}

/***********8T0中止服务程序************PWM波生成**********/
void time0_int(void> interrupt 1
{
time++。 //time 为中止次数
TH0 = 0xec。
TL0 = 0x78。

if(change == 0>
{
PWM2 = 1。
if(time == high> //high次中止后电平由高电平变成高电平
PWM1=0。
else if(time == period> //period 相当于周期，保持不变
{
PWM1 = 1。
time = 0。
}
}
else
{ PWM1 = 1。
if(time == high>
PWM2=0。
else if(time == period>
{
PWM2 = 1。
time = 0。
}
}

}
/****T1中止服务程序********单位时间<S）方波个数*************/
void time1_int(void> interrupt 3
{
count_speed++。
if(count_speed == 20>
{ count_speed = 0。
num_display = num_medium。
num_medium = 0。
}

}
/************************速度显示数据处理*********************/
void datamade(>
{
uint data MM,NN。
wc51r(0xc2>。
wc51ddr('S'>。
wc51ddr('p'>。
wc51ddr('e'>。
wc51ddr('e'>。
wc51ddr('d'>。
wc51ddr(0x3a>。
NN = num_display%100。
MM = num_display/100。
wc51ddr(wword[MM]>。

MM = NN/10。
NN = NN%10。
wc51ddr(wword[MM]>。
wc51ddr(wword[NN]>。

}
/**********经过按键实现对电机开关、调速、转向控制***************/
void motor_control(>
{
if(open == 1>
EA = 1。
if(close == 1>
EA = 0。
if(swap == 1>
{
change = ~change。
while(swap != 0>
{}

}
if(sub_speed == 1>
{
high++。 //改变high来改变占空比
if(high == 30>
EA=0。
while(sub_speed != 0>
{}
}
if(add_speed == 1>
{
high--。
if(high == 5>
high = 5。
while(add_speed != 0>
{}
}
}

/***************************主函数*********************************/
void main(>
{
P2 = 0x00。

ET0 = 1。 //to中止许可位
ET1 = 1。
TMOD = 0x11。

TH0 = 0xec。 //定时器T0设置参数
TL0 = 0x78。

TH1 = 0x3c。 //定时器T1设置参数
TL1 = 0xb0。
TR0 = 1。
TR1 = 1。

init(>。 //液晶显示初始化程序

while(1>
{
wc51r(0x84>。
wc51ddr('H'>。
wc51ddr('e'>。
wc51ddr('l'>。
wc51ddr('l'>。
wc51ddr('o'>。

if(test == 0>
num_medium++。
datamade(>。
motor_control(>。
}
}
3.5编写设计说明书
直流电动机含有良好起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在很多需要调速或快速正反向电力拖动领域中得到了广泛应用。从控制角度来看，直流调速还是交流拖动系统基础。早期直流电动机控制均以模拟电路为基础，采取运算放大器、非线性集成电路和少许数字电路组成，控制系统硬件部分很复杂，功效单一，而且系统很不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术发展和应用范围推广。伴随单片机技术日新月异，使得很多控制功效及算法能够采取软件技术来完成，为直流电动机控制提供了更大灵活性，并使系统能达成更高性能。采取单片机组成控制系统，能够节省人力资源和降低系统成本，从而有效提升工作效率。
传统控制系统采取模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，不过因为元件轻易老化和在使用中易受外界干扰影响，而且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等原因影响，故系统运行可靠性及正确性得不到确保，甚至出现事故。
现在，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴伴随电子技术高度发展，促进直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，尤其是单片机技术应用，使直流电机调速技术又进入到一个新阶段，智能化、高可靠性已成为它发展趋势。
4. 设计总结
经过一个星期课程设计，留给我印象最深是要设计一个成功电路，必需要有要有扎实理论基础，还要有坚持不懈精神。
此次课程设计实现了对直流电机调速和测速，个人感觉其中还有很多不够完善地方，此次设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学多种电子知识能有一定利用能力，比如:让我愈加深入认识了单片机作用，也深入明白了PWM工作原理。在各部件配置组合方面也得到了深入了解，学习了H桥驱动电路功效及应用，重新巩固了霍尔传感器工作原理。
这次设计让我明白了在学校中所学任何科目全部是相当关键，因为在设计创作中，每个科目，每个方面知识全部是缺一不可，我们全部必需能够融会贯通，把所学到各项理论全部能够应用到实践当中，发明出要求产品。
当然这次课设也能检验下对所学知识利用能力好坏，而且开始慢慢走上发明道路，这是很可贵一点。

参考书目
[1] 竺可桢. 物理学. 北京：科学出版社，1973.
[2] 张昆，冯立群，余昌钰，等. 机器人柔性手腕球面齿轮设计研究. 沈阳工业大学学报，1994, 34(2>: 1-7.
参考文件表依据《福州大学学报编排规范》要求书写，作者姓名写到第三位，余者写“，等”或“，et al.”。
［序号］作者.书名.出版地：出版者，出版年.