用单片机控制直流电机(2008-05-24 09:46:54)
标签:it 分类:单片机系列来源:https://www.doczj.com/doc/e013338780.html,/shownews.asp?id=1502
用单片机控制直流电机
摘要
本设计以AT89C51单片机为核心,以4*4矩阵键盘做为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向,完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中,采用了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。
一、设计方案比较与分析:
1、电机调速控制模块:
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:采用由达林顿管组成的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的开关状态,精确调整电动机转速。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。
2、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。
3、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。
4、PWM软件实现方式:
方案一:采用定时器做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。
方案二:采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案一,特别是在引入中断后,将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源,且对于直流电机,采用软件延时所产生的定时误差在允许范围,故采用方案二。
二、系统分析与设计:
总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
键盘向单片机输入相应控制指令,由单片机通过P2.0与P2.1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、光耦传递,驱动H型桥式电动机控制电路,实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过LED显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时数字向右移动,反转时数字向左移动。移动速度分7档,快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时,停止时LED显示出本次运转所用时间,时间精确到0.1s。
1、系统的硬件电路设计与分析
电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图二。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。
图二
PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成,四部分晶体管以对角组合分为两组:根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。
在实验中的控制系统电压统一为5v电源,因此若达林顿管基极由控制系统直接控制,则控制电压最高为5V,再加上三极管本身压降,加到电动机两端的电压就只有4V左右,严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑,我们运用了4N25光耦集成块,将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流;电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度,也使驱动电流得到了大大的增强。
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15Hz-30Hz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N1输入信号,N2输入低电平与N1输入低电平,N2输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度分7档控制,从高电平(第6档)到低电平(第0档)中间占空比以20%逐极递减。速度微调方面,可以通过对占空比以1%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。
2、系统的软件设计
本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成,采用模块化的设计方法,与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口,完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和LED显示等部分的设计。
单片机资源分配如下表:
系统主函数流程如图三:
①PWM脉宽控制:本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制,延时程序函数如下:
void delay(unsigned char dlylevel){
int i=50*dlylevel;
while(--i);}
此函数为带参数DLYLEVEL,约产生DLYLEVEL*400us的延时,因此一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数hlt和低电平持续时间系数 llt组成,本设计中采用的脉冲频率为25Hz,可得hlt+llt=100,占空比为hlt/(hlt+llt),因此要实现定频调宽的调速方式,只需通过程序改变全局变量hlt,llt的值,该子程序流程图如图四。
②键盘中断处理子程序:采用中断方式,按下键,单片机P3.2脚产生一负跳沿,响应该中断处理程序,完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。
调速档、持续加/减速:调速档通过(0-6)共七档固定占空比,即相应档位相应改变hlt,llt的值,以实现调速档位的实现。而要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止,就需在判断是否松开该按键时,每进行一次增加/减少1%占空比(即hlt++/--;llt--/++),其程序流程图如图五。
③显示子程序:利用数组方式定义显示缓存区,缓存区有8位,分别存放各个LED管要显示的值。显示子程序为一带参子程序,参数为显示缓存的数组名,通过for(i=0;i<8;i++)方式对每位加上位选码,送到P0口并进行一两毫秒延时。
该显示子程序只对各个LED管分别点亮一次,因此在运行过程中,每秒执行的次数不应低于每秒24次。
④定时中断处理程序:采用定时方式1,因为单片机使用12M晶振,可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值3CB0H 可定时50ms,即系统时钟精度可达0.05s。当50ms定时时间到,定时器溢出则响应该定时中断处理程序,完成对定时器的再次赋值,并对全局变量time加1,这样,通过变量 time可计算出系统的运行时间。
对于一个数的显示,先应转成BCD码,即取出每一个位,分别送入显示缓存区,对于转BCD的算法,应对一个数循环除10取模,直至为0,程序如下:
do{dispbuff[bcd_p]=bechange%10; //dispbuff为显示缓冲区数组
bcd_p++;}while(bechange/=10) //disp_p为数组指针
软件设计中的特点:
1、对于电机的启停,在PWM控制上使用渐变的脉宽调整,即开启后由停止匀加速到默认速度,停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机,如电机运用于小车上,在启动上采用此方式也可加大启动速度,防止打滑。
2、对于运行时间的计算、显示。配合传感器技术可用于计算距离,速度等重要的运行数据。
3、键盘处理上采用中断方式,不必使程序对键盘反复扫描,提高了程序的效率。
三、测试结果与分析:
结束语
本设计在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路,解决了电机马驱动的效率问题,在软件上也采用较为合理的系统结构及算法,提高了单片机的使用效率,且具有一定的防飞能力。但该设计也有不足之处,主要是在关于速度的反馈上,无法提供较为直观的速度表示方式,因此,有必要引入传感器技术对速度进行反馈,以rpm或rps表达当前的转速进行显示。
基于单片机的PWM调速系统 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统,并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节,从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外,本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块,并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外,本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量,经过滤波电路后,将测量值送到A/D转换器,并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算,从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面,文章中详细介绍了PI运算程序,初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词:PWM信号测速发电机PI运算前言 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机,通过PWM方式控制直流电机调速的方法。 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些
脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。 PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器 件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。 直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现 和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电 子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已经出现了多种PWM控制技术。 PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而 成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流 电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统,然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度,经过滤波电路得到直流电压信号,把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机,在内部进行PI运算,输出控制量完成闭环控制,实现电机的调速控制。
Pwm电机调速原理 对于电机的转速调整,我们是采用脉宽调制(PWM)办法,控制电机的时候,电源并非连续地向电机供电,而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用,这是因为电机实际上是一个大电感,它有阻碍输入电流和电压突变的能力,因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上,这样,改变在始能端PE2 和PD5 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小,从而改变了转速。 此电路中用微处理机来实现脉宽调制,通常的方法有两种: (1)用软件方式来实现,即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻 辑状态来产生脉宽调制信号,设置不同的延时时间得到不同的占空比。 (2)硬件实验自动产生PWM 信号,不占用CPU 处理的时间。 这就要用到ATMEGA8515L 的在PWM 模式下的计数器1,具体内容可参考相关书籍。 51单片机PWM程序 产生两个PWM,要求两个PWM波形占空都为80/256,两个波形之间要错开,不能同时为高电平!高电平之间相差48/256, PWM这个功能在PIC单片机上就有,但是如果你就要用51单片机的话,也是可以的,但是比较的麻烦.可以用定时器T0来控制频率,定时器T1来控制占空比:大致的的编程思路是这样的:T0定时器中断是让一个I0口输出高电平,在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1,而这个T1是让IO口输出低电平,这样改变定时器T0的初值就可以改变频率,改变定时器T1的初值就可以改变占空比。 *程序思路说明: * * * *关于频率和占空比的确定,对于12M晶振,假定PWM输出频率为1KHZ,这样定时中断次数* *设定为C=10,即0.01MS中断一次,则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为0.01ms,这样* *可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms * ******************************************************************************/ #include
单片机原理及应用课程设计报告设计题目: 学院: 专业: 班级: 学号: 学生姓名: 指导教师: 年月日 目录
设计题目:PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统,主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式,PWM是脉冲宽度调制,通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制,LED实现对测量数据(速度)的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波,通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数,计算出电机的速度,实现了直流电机的反馈控制。 关键词:直流电机调速;定时中断;电动机;波形;LED显示器;51单片机 1 设计要求及主要技术指标: 基于MCS-51系列单片机AT89C52,设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 (1)在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298,驱动直流测速电动机。 (2)使用定时器产生可控的PWM波,通过按键改变PWM占空比,控制直流电动机的转速。 (3)设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2:“正转/反转”。 K3:“加速”。 K4:“减速”。 (4)手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下,每按一次键,电动机的转速按照约定的速率改变。 (5)*测量并在LED显示器上显示电动机转速(rpm). (6)实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1)参考L298说明书,在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波,定时时间建议为250us。 (3)编写键盘控制程序,实现转向控制,并通过调整PWM波占空比,实现调速; (4)参考Protuse仿真效果图:图(1) 图(1) 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上,运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性,使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心,L298是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机,OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心,如下图(2),AT89C52是一个低电压,高性能 8位,片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(),器件采用的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图(2) 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差(额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
直流电机调速资料汇总 一. 使用单片机来控制直流电机的变速,一般采用调节电枢电压的方式,通过单片机控制PWM1,PWM2,产生可变的脉冲,这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。 C语言代码: #include
} void beep(void) { uchar t; for(t=0;t<100;t++) { delay500us(); FMQ=!FMQ; //产生脉冲 } FMQ=1; //关闭蜂鸣器 delaynms(300); } void main(void) { TR0=0; //关闭定时器0 TMOD=0x01; //定时器0,工作方式1 TH0=(65526-100)/256; TL0=(65526-100)%256; //100us即0.01ms中断一次EA=1; //开总中断 ET0=1; //开定时器0中断 TR0=1; //启动定时器T0 ZKB1=50; //占空比初值设定 ZKB2=50; //占空比初值设定 while(1) { if(!K5) { delaynms(15); //消抖 if(!K5) //确定按键按下 { beep(); ZKB1++; //增加ZKB1 ZKB2=100-ZKB1; //相应的ZKB2就减少 } } if(!K6) { delaynms(15); //消抖 if(!K6) //确定按键按下 { beep();