单片机直流电机控制
摘要
本文介绍一种新型的主要由 AVR 单片机和 L298 驱动构成的直流电机 PWM 调速控制器。详细介绍了本调速控制系统的工作原理、 PWM 驱动接口电路和相应的各种控制软件设计。方便的人机对话接口,用键盘输入有关控制信号及参数,可以实现电机的启制动、正反转、速度调节.并在LCD上实时显示输入参数及动态转速.详细给出调速系统的主电路原理图及各部分电路原理图。设计了实验 ,并给出了实验结果。实验结果表明 ,本 PWM 直流调速控制器具有良好的工作性能。同时它也是管道机器人和国家863课题研究的一个分支,具有极强的实用性。
关键词:AVR单片机; PWM;直流调速系统; L298驱动
A PWM Speed Controller of DC Motor Using A VR
Microcontroller
ABSTRACT
A PWM speed controller of DC motor using A VR microcontroller 8535 is introduced in this paper. This paper elaborates on the system principle, Optical Encoder, L298 driving system, and the DC motor PWM digital control system, which include the hardware and software design.In the convenient man-machine interaction interface, the control signal and parameter were inputted with key so that the start and brake of motor and speed regulation were also realized. Provided main electric circuit principle diagram and each parts of electric circuit principle diagram the experimental results of this speed controller are given in the paper. Experiment proof that this DC motor PWM speed controller has better function.
Keywords :A VR;PWM;DC converter system;L298
目录
引言 ............................................................... 1第1章概论 ........................................................ 2
1.1 设计项目的发展情况简介...................................... 2
1.2 单片机控制PWM直流调速系统发展趋势.......................... 5
1.3 单片机控制PWM直流调速系统基本原理.......................... 5
1.3.1 直流电机调速原理 ...................................... 5
1.3.2 PWM 基本原理及其实现方法 .............................. 7第2章 PWM调速系统的组成及选择................................... 10
2.1 ATmega8单片机简介 ........................................ 10
2.2 电机驱动芯片L298N ........................................ 12
2.3 LCD显示器 ................................................ 18
2.4 电动机选择............................................... 20第3章控制系统硬件设计......................................... 21
3.1 系统工作原理............................................. 21
3.2 ATmega8实现PWM控制 ...................................... 22
3.3 驱动电路................................................. 23
3.3.1 驱动电路原理 ........................................ 23
3.3.2 L298驱动接口........................................ 25
3.4 显示电路设计.............................................. 27
3.4.1 LCD液晶显示器引脚说明............................... 27
3.4.2 LCD1602的指令....................................... 27
3.5 按键电路设计.............................................. 30
3.5.1 键盘原理 ............................................ 30
3.5.2 键盘与单片机的接口电路 .............................. 31
3.6 电路板的制作.............................................. 32
3.6.1 电路板的设计步骤 .................................... 32
3.6.2 电路板布线技巧 ...................................... 33
3.6.3 设置中的问题及解决方法 .............................. 34
3.7 硬件抗干扰措施............................................ 34
3.7.1 干扰的来源 .......................................... 35
3.7.2 具体抗干扰措施 ...................................... 35第4章系统软件设计 .............................................. 36
4.1 主程序设计................................................ 36
4.2 中断服务程序设计.......................................... 37
4.3 控制程序.................................................. 38
4.4 调试程序.................................................. 40第5章测试实验 .................................................. 42结束语 ........................................................... 43致谢 ............................................................. 43参考文献 ......................................................... 45附录 ............................................................. 46
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引言
直流电机是工矿、交通、建筑等行业中的常见动力机械,是机电行业人员的重要工作对象之一。作为一名电气控制技术人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点,掌握主要参数的分析计算,并能正确熟练地操作使用直流电机。直流电动机具有优良的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围,平滑的无级调速特性,可实现频繁的无级快速启动、制动和反转;过载能力大,能承受频繁的冲击负载;能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率直流电源,且输出电压可以精确地调节和控制。由于直流电动机具有良好的启动和调速性能,常应用于对启动和调速有较高要求的场合,如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中。
在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能,直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM) 直流调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。正因直流电机的精确控制其应用领域广泛,所以它是管道机器人和国家863课题研究的一个分支,具有极强的实用性。
本系统是以A VR单片机为基础开发的精确控制直流电机系统。利用AVR单片机控制直流电机使其实现精确的正转、反转、调速等功能。本调速系统利用ATmega8单片机产生的PWM 信号,实现对电机速度的控制,提高了系统的控制精度,保证了电机转速的稳定性;电机的启动、停止、左右转和速度都由程序定义,调试时只需修改PWM信号占空比即可实现速度控制,改变输出口电平即可实现电机正反转,无须改变系统硬件电路,即可实现各种控制,能有效缩短开发周期,提高效率;结合了受限倍频单极性可逆PWM电机驱动电路,增强了系统的驱动能力,提高了系统的可靠性和性价比。电路设计简单,电机控制方便,有利于广泛推广。本系统调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低。可广泛运用于工业、航天领域等。
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第1章概论
随着计算机,微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现,电动机的控制策略也发生了深刻的变化。其中,脉宽调制(PWM)方法,变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。所以应用先进控制算法,开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。
1.1 设计项目的发展情况及研究现状
常用的控制直流电动机有以下几种:第一,最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电,通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便,价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速,所以目前极少采用。第二,三十年代末,出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组),配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件,可获得优良的调速性能,如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等,特别是当电动机减速时,可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网,这样,一方面可得到平滑的制动特性,另一方面又可减少能量的损耗,提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备,因而体积大,维修困难等。第三,自出现汞弧变流器后,利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统,使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点:维修还是不太方便,特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四,1957年世界上出现了第一只晶闸管,与其它变流元件相比,晶闸管具有许多独特的优越性,因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点,采用晶闸管供电,不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高,而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上,比机组(放大倍数10)高1000倍,比汞弧变流器(放大倍数1000)高10倍;在响应快速性上,机组是秒级,而晶闸管变流装置为毫秒级。[14]
从20世纪80年代中后期起,以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置,使直流电气传动完成一次大的跃进。同时,控制电路也
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实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大,直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现,以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展,直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化,极大地推动了电气传动的发展。近年来,一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置,如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
随着现代化步伐的加快,人们生活水平的不断提高,对自动化的需求也越来越高,直流电动机应用领域也不断扩大。例如,军事和宇航方面的雷达天线,火炮瞄准,惯性导航,卫星姿态,飞船光电池对太阳得跟踪等控制;工业方面的各种加工中心,专用加工设备,数控机床,工业机器人,塑料机械,印刷机械,绕线机,纺织机械,工业缝纫机,泵和压缩机等设备的控制;计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器,各种光盘驱动器,绘图仪,扫描仪,打印机,传真机,复印机等设备的控制;音像设备和家用电器中的录音机,录像机,数码相机,洗衣机,冰箱,电扇等的控制。
随着计算机,微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现,电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术,电力电子技术,传感器技术,永磁材料技术,微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中,电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台,而采用微处理器,通用计算机,FPGA/CPLD,DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后,速度更快,控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中,脉宽调制(PWM)方法,变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机,如永磁直流电动机,交流伺服电动机,超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分,所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法,开发
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全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。[17]在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合(如数控机床,工业缝纫机,磁盘驱动器,打印机,传真机等设备中,要求电动机实现精确定位,适应剧烈负载变化),传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展,现有的电动机控制系统也在朝着高精度,高性能,网络化,信息化,模糊化的方向不断前进。
数字直流调速装置,从技术上,它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化,使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机,同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制,强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统,而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点,尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化,弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处,且数字控制系统表现出另外一些优点,如查找故障迅速、调速精度高、维护简单,使其具备了广一阔的应用前景。[18]
国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等,均已经开发出多个数字直流调速装置,有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。
我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来,晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前,晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制,补偿PID控制,PID算法优化,也有的只应用模糊控制技术。[19]
随着新型电力半导体器件的发展,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点,克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)方向发展。[16]我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵,也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前,国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。
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1.2 单片机控制PWM直流调速系统发展趋势
全球温度正呈现上升的趋势,更加有效地利用能源成为当务之急。降低能耗的主要对象之一是电机。据粗略统计,电机消耗了美国一半以上的能量。在家庭中使用的电机数量一般不下50台,一部汽车里通常有70至80台电机,至于在工业领域,工厂自动化中应用的电机更加比比皆是。
当前,单片机(MCU)技术取得的进步能够比以往任何时候都更加有效地控制电机,而成本却更低。这种进步对市场的影响一方面加速了从机电控制到电子式控制的转变,另一方面可以实现电机的变速控制,优化电机的运行。而且,对整个市场而言,降低了元器件的整体成本。
随着控制算法在各个市场领域中复杂程度的不断提高,数字电机控制器的处理能力需要从单片机的性能水平提升到数字信号处理器(DSP)的性能水平。数字信号控制器(DSC)性能更高而价格适中,采用设计人员熟悉的单片机技术,适用于更加复杂的电机控制设计,包括矢量控制设计。DSC的运行速度高达30MIPS,并具有高达144KB的闪存和电机控制专用的集成外设,可实现先进的新型电机控制应用。有了基于单片机和DSC的电子电机控制,家用电器、工业控制及汽车不仅运行效率更高、功能更丰富,而价格也适中。
1.3 单片机控制PWM直流调速系统基本原理
1.3.1 直流电机的结构和调速原理
图2.1直流电机的物理模型图
其中,固定部分有磁铁,这里称为主磁极;固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)
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上图表示一台最简单的两极直流电机模型,它的固定部分(定子)上,装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S,在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上,换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。[1]
直流电机调速基本原理是比较简单的(相对于交流电机),只要改变电机的电压就可以改变转速了。
改变电压的方法很多,最常见的一定是PWM脉宽调制,调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压,控制转速。
电机调速一般分为三个级,控制级,驱动级和反馈级。
单片机属于前端的控制级,只需要能够产生可调的PWM波形就可以(很多单片机都有专用PWM输出功能,有定时器就能做到)。
驱动级,在控制级后。因为单片机弱电不能直接驱动电机这样的强电,所以需要用功率开关器件(如MOSFET等)来驱动电机。基本思路就是通过弱点控制强电。
反馈级是为了实现精确调速的。一般是电流反馈,也有用转速反馈的,也有电流转速双闭环反馈控制的。
PWM输出的占空比具体是多少由单片机通过反馈的信息综合运算得到。
直流电动机转速n的表达式为:
n = (U--IR)/KΦ;
式中:U-电枢端电压
I-电枢电流
R-电枢电路总电阻
Φ-每极磁通量
K-与电机结构有关的常数
由上式可知,直流电机转速n的控制方法有三种:
(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速,属恒转矩调速方法,动态响应快,适用于要求大范围无级平滑调速的系统;
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(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通,使电动机从额定转速向上变速,属恒功率调速方法,动态响应较慢,虽能无级平滑调速,但调速范围小;
(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速,只能有级调速,平滑性差、机械特性软、效率低。
改变电枢电路电阻的方法缺点很多,目前很少采用:弱磁调速范围不大,往往与调压调速配合使用;因此,自动调速系统以调压调速为主,这也是论文中设计系统所采用的方法。
改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制(PWM)变换器(或称直流斩波器)。
(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压,简称G-M系统,国际上统称Ward-Leonard系统,这是最早的调压调速系统。G-M 系统具有很好的调速性能,但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。
(2)20世纪50年代,开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组,但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统,又称静止的Ward-Leonard
的系统,通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。进而改变整流电压U
d
大小,达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性,成为直流调速系统的主要形式。
(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器,是利用功率开关器件通断实现控制,调节通断时间比例,将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压,亦称DC-DC变换器。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压,实现调速。
1.3.2 PWM 基本原理及其实现方法
理论基础:
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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。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近,仅在高频段略有差异。
图1.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理:
分别将如图1.1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R-L电路)上,如图1.2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1.2b所示。从波形可以看出,在i(t)的上升段,i(t)的形状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄,各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲,则响应i(t)也是周期性的。
图1.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
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用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,正弦半波N等分,看成N 个相连的脉冲序列,宽度相等,但幅值不等;用矩形脉冲代替,等幅,不等宽,中点重合,面积(冲量)相等,宽度按正弦规律变化。
图1.3 用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值,按同一比例改变各脉冲宽度即可。
PWM电流波:电流型逆变电路进行PWM控制,得到的就是PWM电流波。
直流斩波电路:等效直流波形
SPWM波:等效正弦波形,还可以等效成其他所需波形,如等效所需非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也基于等效面积原理。
PWM (Pulse Width Modulation)—脉冲宽度调制技术通过对一系列数字脉冲的宽度进行调制,在脉冲作用下,当电机通电时速度加快,断电时速度逐渐变慢,
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只要按一定规律改变通断电时间,即可对电机的转速控制,实现直流电机调速数字化,如图1.4:
图1.4 PWM 调速原理图
第2章 PWM调速系统的组成及选择
本调速控制系统,主要由ATmega8单片机、驱动电路、转速检测电路和LCD 显示电路等部分组成。
2.1 ATmega8单片机简介
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时也为单片机的初学者提供了非常方便和简捷的学习开发环境。
Atmega8具有以下的特性:
内部特点:
1:高性能、低功耗的8位AVR微处理器。
2:先进的RISC 结构。
3:130 条指令——大多数指令执行时间为单个时钟周期。
4:32个8 位通用工作寄存器。
5:全静态工作。
6:工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS。
7:只需两个时钟周期的硬件乘法器。
8:非易失性程序和数据存储器。
9:8K 字节的系统内可编程Flash。
10:擦写寿命:10,000 次。
11:具有独立锁定位的可选Boot代码区。
12:通过片上Boot 程序实现系统内编程。
13:真正的同时读写操作。
14:512字节的EEPROM。
15:1K字节的片内SRAM。
16:可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。
外设特点:
1:2个具有比较模式的带预分频器(Separate Prescale)的8位定时/计数
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器。
2:1个带预分频器(SeParat Prescale),具有比较和捕获模式的16位定时/计数器。
3:1个具有独立振荡器的异步实时时钟(RTC)。
4:3个PWM通道,可实现任意<16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出。
5:8通道A/D转换(TQFP、MLF封装),6路10位A/D+2路8位A/D。
6:6通道A/D转换(PDIP封装),4路10位A/D+2路8位A/D。
7:1个I2C的串行接口,支持主/从、收/发四种工作方式,支持自动总线仲裁。
8:1个可编程的串行USART接口,支持同步、异步以及多机通信自动地址识别。
9:1个支持主/从(Master/Slave)、收/发的SPI同步串行接口。
10:带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器。
11:片内模拟比较器
作为整个系统的控制核心的一部分,Atmega8单片机具有的功能特点使它非常适合控制直流电机。
2.2 电机驱动芯片L298N
恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N。L298是SGS公司的产品,比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N,内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS 功率器件,利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。L298N广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。
1.主要性能
驱动器尺寸:宽42mm、长78mm、最大高度23mm ;
主要元件:恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-4;
工作电压方式:直流;
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工作电压:信号端 4~6V、控制端 5~36V ;
调速方式:直流电动机采用PWM信号平滑调速。
特点: 1、可实现电机正反转及调速;
2、启动性能好,启动转矩大;
3、工作电压可达到36V,4A;
4、可同时驱动两台直流电机;
5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。2.典型应用
1、驱动直流电机、步机电机;
2、伺服机构系统位置与转速;
3、应用于机器人控制系统;
4、应用于数字控制系统;
5、应用于电脑打印机与绘图仪。
3.内部结构和引脚说明
L298N外形结构如图2.1所示:
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图2.1 L298N引脚图
L298N工作原理:
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号V
SS ,V
SS
可接4.5~7 V电压。4脚V
S
接
电源电压,V
S 电压范围V
IH
为+2.5~46 V。输出电流可达2.5 A,可驱动电感性
负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机,本实验装置我们选用驱动一台电动机。5,7,10,12脚接输入控制电平,
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控制电机的正反转。E
nA ,E
nB
接控制使能端,控制电机的停转。表2.1是L298N功
能逻辑图。
表2.1 L298N功能模块
In3,In4的逻辑图与表2.1相同。由表2.1可知E
nA
为低电平时,输入电平对
电机控制起作用,当E
nA
为高电平,输入电平为一高一低,电机正或反转。同为低电平电机停止,同为高电平电机刹停。
图2.2 控制器原理图
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(1)虚线框图1控制电机正反转,U1A,U2A是比较器,V
I
来自炉体压强传感
器的电压。当V
I >V
RBF1
时,U1A输出高电平,U2A输出高电平经反相器变为低电平,
电机正转。同理V
I <V
RBF1
时,电机反转。电机正反转可控制抽气机抽出气体的流
量,从而改变炉体压强。
(2)虚线框图2中,U3A,U4A两个比较器组成双限比较器,当V
B <V
I
<V
A
时
输出低电平,当V
I >V
A
,V
I
<V
B
时输出高电平。V
A
,V
B
是由炉体压强转感器转换电
压的上下限,即反应炉体压强控制范围。根据工艺要求,我们可自行规定V
A ,V
B
的值,只要炉体压强在V
A ,V
B
所确定范围之间电机停转(注意V
B
<V
RBF1
<V
A
,如果
不在这个范围内,系统不稳定)。
(3)虚线框图3是一个长延时电路。U5A是一个比较器,R
s1是采样电阻,V
RBF2
是电机过流电压。R
s1上电压大于V
REF2
,电机过流,U5A输出低电平。由上面可知,
框图1控制电机正反转,框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时,电动机转到两端固定位置停止,根据直流电机稳态运行方程:
U=C
e ФN+R
a
I
a
其中:Ф为电机每极磁通量;
C
e
为电动势常数;
N为电机转数;
I
a
为电枢电流;
R
a
电枢回路电阻。
L298N控制器原理如图2.3所示:
《单片机原理及应用》课程设计基于单片机的步进电机(直流电机)控制器设计 学院:物联网工程学院 班级:自动化 姓名: 学号: 同组成员: 日期:2016.6.20-2016.6.24
一、设计目的 通过具体小型测试系统设计,实践单片机系统设计及调试的全过程,以加深对单片机内部结构、功能和指令系统的理解,并进一步学习单片机开发系统的应用及一些外围芯片的接口和编程方法,初步掌握单片机系统的硬、软件设计技术及调试技巧。 二、设计要求 1)电机转速可以平稳控制 2)通过键盘和显示器可以设置电机的转速 3)显示电机的速度趋势 三、仪器设备 1)IBMPC机一台 2)https://www.wendangku.net/doc/fc11849903.html,单片机仿真器、编程器、试验仪三合一综合开发平台一台 四、硬件线路图及主要芯片说明 1、AT89C5单片机芯片说明 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
VCC:AT89C51 电源正极输入,接+5V 电压。 GND:电源接地端。 XTAL1:接外部晶振的一个引脚。在单片机内部,它是一反相放大器输入端,这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时,些引脚应接地。 XTAL2:接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。 RST:AT89C51 的复位信号输入引脚,高电位工作,当要对芯片又时,只要将此引脚电位提 升到高电位,并持续两个机器周期以上的时间,AT89C51 便能完成系统复位的各项工作, 使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 ALE/PROG ALE:是英文"ADDRESS LATCH ENABLE"的缩写,表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时,ALE 信号负跳变来触发外部的8 位锁存器(如74LS373),将端口P0 的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间,ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的1/16,因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间,将以1/12 振荡频率输出。 EA/VPP:该引脚为低电平时,则读取外部的程序代码(存于外部EPROM 中)来执行程序。因此 在8031 中,EA 引脚必须接低电位,因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89C51 或其它内部有程序空间的单片机时,此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存器, 当程序指针PC 值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89C51 的PC 超过0FFFH)时,将自动转
我上周刚做的这个实验成功拉,给你参考一下吧这可是我当时辛辛苦苦编出来的啊,不过我用的是L298驱动的和ULN2003一样,你把它换成2003就行拉 #include
for(j=200;j>0;j--); temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp) { case 0x0e: key=1; break; case 0x0d: key=2; break; case 0x0b: key=3; break; case 0x07: key=4; break; } temp=P3;
temp=temp&0x0f; while(temp!=0x0f) { temp=P3; temp=temp&0x0f; } } } P3=0xff; P3_5=0; temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) { for(i=50;i>0;i--) for(j=200;j>0;j--); temp=P3; temp=temp&0x0f; if(temp!=0x0f) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp)
实用标准文案 目录 1 总体设计框 架 (3) 2 硬件电路设 计 (4) 2.1 芯片介 绍 (4) 2.2 驱动电 路 (9) 2.3 按键控制电 路 (10) 3 程序编写 ................................................. 10 3.1 工作原 理 (10) 21程序书写过程 3.2 ...................................................... 参考资 料 (16) 精彩文档. 实用标准文案 直流电机驱动 Abstract 摘要:本文主要内容是利用PIC18F452单片机来控制直流电机,通过L293NE来驱动电机,通过按键来使其正转,反转。Keywords 关键词:直流电机,PWM,L293NE 精彩文档. 实用标准文案
总体设计框架1硬件电路利用驱动芯片L293D来驱动直流电机,按键则是单独引出。如图1所示。软件则是C语言编程。 PI驱C直动1流8电电F路机452 图1硬件设计框精彩文档. 实用标准文案 2硬件电路设计 2.1 芯片介绍 首先,总体说明硬件电路设计,如图2 原理图,图3 PCB图以及图4板子的图所示。三个输入信号,如图分别为RD4,RD5,RD6连上光耦的2脚,然后通过光耦的4脚引入L293D的使能引脚(12EN)以及输入引脚(1A,2A),然后L293D的输出引脚(1Y,2Y)通过H-桥型控制电路与直流电机连接。 图2 直流电机控制部分原理图 精彩文档. 实用标准文案 PCB图图3直流电机控制部分 成品板图4 其中红线圈表示直流电机控制部分。下面详细介绍各个芯片。PIC18F452
目录 摘要............................................................................................................................................................... I I ABSTRACT ................................................................................................................................................. III 1系统论述 (5) 1.1设计思路 (5) 1.2基本原理 (5) 1.3总体设计框图 (5) 2直流电机单元电路设计与分析 (6) 2.1直流电机驱动模块 (6) 2.2直流电机的中断键盘控制模块 (11) 2.31602LCD液晶显示模块 (13) 3直流电机PWM控制系统的实现 (15) 3.1总电路图 (15) 3.2总电路功能介绍 (16) 3.3直流电机控制程序 (16) 4系统仿真 (23) 5结束语 (26) 参考文献资料 (27)
摘要 本文是对直流电机PWM调速器设计的研究,主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制,在设计中,采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分,配以各种显示、驱动模块,实现对电动机转速参数的显示和测量;由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入,单片机在程序控制下,不断给光电隔离电路发送PWM 波形,H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中,采用PWM调速方式,通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压,进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统,在硬件结构上采用了大量的集成电路模块,大大简化了硬件电路,提高了系统的稳定性和可靠性,使整个系统的性能得到提高。 关键词:AT89C51单片机;PWM调速;正反转控制;仿真。
滨江学院 专业综合设计 题目直流电机闭环调速系统控制 院系自动控制 专业自动化 组别第二组 组长周未政 指导教师周旺平 二0 一0 年十二月二十八日基于单片机的直流电机闭环调速控制系统
摘要:设计以AT89C51单片机控制模块为核心,由单片机控制、红外线光电检测装置、直流电机转速为被测量组成的控制系统。原理是利用红外线光电传感器接收直流电机转速所产生的红外信号转换成电信号传输给单片机,并调节转速的闭环调速控制系统。 1.AT80C51单片机介绍 1.1主电源引脚 V ss—(20脚):电路地电平 V cc—(40脚):正常运行和编程校检(8051/8751)时为+5V电源。 1.2外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL1—(19脚):接外部晶振的一个引脚. 在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器. 当采用外部振荡器时,此引脚应该接地. XTAL2—(18脚):接外部晶振的另一个引脚. 在片内接至振荡器的反相放大器的输出和内部时钟发生器的输入端. 当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。 1.3控制、选通或电源复用引脚 RST/V pd—(9引脚): RST即Reset(复位)信号输入端。 ALE/PROG—(30引脚): ALE,允许地址索存信号输出。 PSEN—(29脚):访问外部程序存储器选通信号,低电平有效。. V pp/EA—(31引脚): EA为访问内部或外部程序存储器选择信号。 1.4多功能I/O口引脚 P0口—(32-39脚):8位漏极开路双向并行I/O接口. P1口—(1-8脚): 8位准双向并行I/O接口. P2口—(21-28脚):8位准双向并行I/O接口. P3口—(10-17脚):具有内部上拉电路的8位准双向并行I/O端口。它还提供第二特殊功能,具体含义为: P3.0—(10脚)RXD:串行数据接收端。 P3.1—(10脚)TXD:串行数据发送端。 P3.2—(10脚)INT0:外部中断0请求端,低电平有效。 P3.3—(10脚)INT1:外部中断1请求端,低电平有效。. P3.4—(10脚)T0:定时器/计数器0外部事件计数输入端。.
南京XX大学 指导老师:张X 课程设计基于51单片机的步进电机控制 机械电子工程学院 测控技术与仪器 XXXXX Xxx 2012年1年4日
步进电机控制系统 [摘要]本课程设计的内容是利用51单片机,达到控制步进电机的启 动、停止、正转、反转、两档速度和状态显示的目的,使步进电机控制更加灵活。步进电机驱动芯片采用ULN2803,ULN2803具有大电流、高电压,外电路简单等优点。利用四位数码管增设电机状态显示功能,各项数据更直观。实测结果表明,该控制系统达到了设计的要求。 关键字:步进电机、数码管、51单片机、ULN2803 一步进电机与驱动电路 1.1 什么是步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。 1.2 步进电机的种类 步进电机分永磁式(PM)、反应式(VR)、和混合式(HB)三种。永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度或15度;反应式步进一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰;混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 1.3 步进电机的特点 1.精度高一般的步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。可在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速,快速起停、正反转控制及制动等,这是步进电动机最突出的优点 2.过载性好其转速不受负载大小的影响,不像普通电机,当负载加大时就会出现速度下降的情况,所以步进电机使用在对速度和位置都有严格要求的场合; 3.控制方便步进电机是以“步”为单位旋转的,数字特征比较明显,这样就给计算
基于单片机对直流电机的控制 第十五组 姓名:吴代露20131325010 张鹏飞20131325012 金静丽20131325014 周敏20131325015 胡会华20131325017 顾蓉20131325018 专业:2013级信息工程(系统工程方向) 指导老师:周旺平 2014.12.22
基于单片机对直流电机的控制 内容摘要 电动机作为最主要的动力源,在生产和生活中占有重要地位。电动机的调速控制过去多用模拟法,随着计算机的产生和发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现,电动机的控制也发生了深刻的变化。 关键字:电动机飞思卡尔 PWM控制 一、引言 (一)直流电机的定义 直流电机(direct current machine):是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。 (二)直流电机的基本结构 由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到,直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 (三)直流电机工作原理
直流电机里边固定有环状永磁体,电流通过转子上的线圈产生安培力,当转子上的线圈与磁场平行时,再继续转受到的磁场方向将改变,因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触,从而线圈上的电流方向也改变,产生的洛伦兹力方向不变,所以电机能保持一个方向转动。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势,靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定(磁感线指向手心,大拇指指向导体运动方向,其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向)。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩,这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向,企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩(例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩),电枢就能按逆时针方向旋转起来。 (四)直流电机的分类 直流电动机按结构及工作原理可划分:无刷直流电动机和有刷直流电动机。(1)无刷直流电动机:无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通:定子为电枢,由多相绕组组成。在结构上,它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同.在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等).绕组可接成星形或三角形,并分别与逆变器的各功率管相连,以便进行合理换相。由于电动机本体为永磁电机,所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。 (2)有刷直流电动机:又可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。 永磁直流电动机划分:稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。稀土永磁直流电动机:体积小且性能更好,但价格昂贵,主要用于航天、计算机、井下仪器等;铁氧体永磁直流电动机:由铁氧体材料制成的磁极体,廉价,且性能良好,广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域;铝镍钴永磁直流电动机:需要消耗大量的贵重金属、价格较高,但对高温的适应性好,用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场合。 电磁直流电动机划分:串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 (1)串励直流电动机:电流串联,分流,励磁绕组是和电枢串联的,直流串励电
//程序说明:使用内部时//PWM0=P3^7PWM1=P3^5 PWM2=P2^0 PWM3=P2^4 #include
可以实现的功能是: 按下左转键则开始向左转动 按下右转键则向右转动 按下停止键则开始逐渐停止转动 按下调速键一次则会加速一档 按下调速键二次则会加速二档 按下调速键三次则会加速三档 按下调速键四次则会加速四档 按下调速键五次则会回到最初速度重新记档位 设计思路: 直流电机只要能提供一定的直流就可以转动,改变电压极性可以改变转动方向,可以通过给直流电机提供脉冲信号来驱动它,脉冲信号的占空比可以影响到直流电机的平均速度,因此可以通过调整占空比从而能实现调速的目的。直流电机的驱动电路要有过流保护作用,图中的二极管就直到这个作用,另外电机的驱动电流是比较大的所以需要用三极管来放大电流。程序的关键就是如何实现占空比的调整,这个可以通过对51单片机定时器重装初值进行改变,从而改变时间。用51实现PWM信号的输出,相对麻烦点,要是AVR就可以方便地实现PWM信号,由见51单片机的局限性与AVR单片机的优势。 原理图
详细程序: #include
单片机原理及系统课程设计 1 引言 步进电机又称为脉冲电动机或阶跃电动机,它是基于最基本的电磁感应作用,将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。单片机控制的步进电机广泛地应用于工业自动控制、数控机床、组合机床、机器人、计算机外围设备、照相机,大型望远镜,卫星天线定位系统等等。 随着经济的发展,技术的进步和电子技术的发展,步进电机的应用领域更加广阔,同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。 步进电机的原始模型起源于1830年至1860年,1870年前后开始以控制为目的的尝试,应用于氩弧灯的电极输送机构中,这被认为最早的步进电机。 1950年后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。到20世纪60年代后期,在步进电机本体方面随着永磁材料的发展,各种实用性步进电机应运而生。步进电机往后经过不断改良,使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。 在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中,我们很容易发现步进电机的踪迹,尤其以重视速度、位置控制、需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。
2 设计方案与原理 4.1 设计方案 设计一个51单片机四相步进电机控制系统要求系统具有如下功能: (1)由I/O口产生的时序方波作为电机控制信号; (2)信号经过驱动芯片驱动电机的运转; (3)电机的状态通过键盘控制,包括正转,反转,加速,减速,停止和单步运行。 4.2 设计原理 步进电机实际上是一个数字\角度转换器,也是一个串行的数\模转换器。步进电机的基本控制包括启停控制、转向控制、速度控制、换向控制4个方面。从结构上看,步进电机分为三相、四相、五相等类型,本次设计的是四相电机。四相步进电机的工作方式有单四拍、双四拍和单双八拍三种。 在本次设计中,我们使用的是四相单八拍的工作方式。通过P1口给A,B,C,D四相依次输出高电平即可实现步进电机的旋转,通过控制两次输出的间隔,即可实现对步进电机的速度控制。 图 2.1 步进电机内部结构截图 根据步进电机的相关相序表我们可以正常的控制电机的步进运行。