AT89C51单片机的直流电机驱动电路设计与仿真实现

AT89C51单片机的直流电机驱动电路设计与仿真实现 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ AT89C51单片机的直流电机驱动电路 设计与仿真实现 摘要本文介绍一种基于AT89C51单片机控制的PWM直流电机脉宽调速系统。系统模拟一辆清洁小车，以AT89C51单片机为控制核心，以四台直流电机为控制对象。从系统的角度出发，对电路进行总体论证设计，确定电路各个的功能模块之间的功能衔接和接口设置，详细了各个模块的方案论证和参数设置。整个系统利用AT89C51单片机的软件产生PWM脉冲，使用L298芯片模拟H桥实现对直流电机的调速，设计好小车的运动方式和工作方式，由带中断的独立键盘进行控制，并且可以检测小车左轮驱动电机的实时转速，实现系统的闭环控制，提高其自动化水平。电机转速信息与小车工作模式都在液晶显示屏上显示。11908 关键词AT89C51PWM控制键盘电路液晶显示 1 / 13 毕业设计说明书,论文,外文摘要 TitleDC motor drive circuit designand simulation based on SCM Abstract This paper describes a PWM DC motor control based on AT89C51 microcontroller PWM system. The system simulates a clean car, AT89C51 microcontroller is used as the control center to the four DC motor control. Starting from a systems perspective on the circuit design of the overall program demonstration, to determine the function of each of the functional modules of the circuit between the connection and interface settings, and doing a detailed analysis of the demonstration program and parameter settings of each module. The entire system uses the software of AT89C51 to generate the PWM pulse and the L298 chip analogizing H-bridge to achieve the speed control of DC motor. I design the movement and working modes of the car, with the control of separate keyboard interrupt. It can detect the speed of the drive motor of the ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ car’ left wheel, achieving the closed-loop control system to improve their level of automation. The motor speed information and trolley operating modes are displayed on the LCD screen. 6,1程序流程图…24 6,2主要程序分析24 6.2.1键盘扫描程序24 6.2.2中断处理程序26 7Proteus仿真结果26 结论29 致谢30 3 / 13 参 考 文 献31 附录A:主程序清单…32 1引言 随着科技的不断进步，现代驱动技术已被广泛地融入到我们的日常生活，现代驱动技术不仅影响民用领域、工业领域的发展，而且还影响到军事工业、航空、航天等国防事业的发展。驱动技术作为机械控制的关键技术之一，在国内外收到普遍关注[2]。电机驱动技术是驱动技术的核心之一，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品,如电冰箱，空调，DVD 等,中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 2电气传动的发展概述 2,1数字直流调速的意义 现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制。从上世纪80年代中后期起，世界各大电气公司如ABB、通用、西屋、西门子等都在竞相开发数字式调速传动装置，经过二十几年的发展，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平:功率元件采用可控硅,控制板采用面安装技术,控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成， 5 / 13 由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。 2.2.2单片机控制直流电机发展现状 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。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 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 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,方法在直流调速系统中得到了广泛应用。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，硬件比较简单，运算速度快，精度高，因此具有很好的发展前景[3]。 近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用与卫星定向、汽车火化控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上[9]。 直流电机电路模型如图3-2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈 7 / 13 中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。 图3-2 直流电机的工作原理图 直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式: ,3-1, 其中: —电枢电压, —电枢电流, —电枢内阻, —每极磁通,Wb,, —电势常数[18]。 直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。如:由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压,脉宽调制,PWM,调压等等。调压调速法具有平滑度高，能耗少，精度高等优点。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制,PWM,应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 9 / 13 脉冲宽度调制,PWM,是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有,ON,，要么完全无,OFF,。电压或电流源是以一种通,ON,或断,OFF,的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 与传统的直流调速技术相比较，PWM直流调速系统具有较大的优越性:主电路线路简单，需要的功率元件少,开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小,低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽,系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强,主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。 PWM信号的产生有多种方法: ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 1,等脉宽PWM法是PWM法中最为简单的一种，它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。 2,SPWM,Sinusoidal PWM,法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论: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。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。 11 / 13 C、定频调宽法:保持周期T,或频率,不变，同时改变 和 ，如图3-6所示。 图3-6 定频调宽法占空比示意图 前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期,或频率,，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法,C,来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。 4系统论证 4,1设计思路 直流电机PWM控制系统的主要功能包括:直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小， ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的启动、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成:,1,振荡器和时钟电路:这部分电路主要由AT89C51单片机和一些电容、晶振组成。,2,设计输入部分:这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。,3,设计控制部分:主要由AT89C51单片机的外部中断扩展电路组成。,4,设计显示部分:主要是液晶显示部分，由于所显示较多，因此采用PG160128A液晶显示模块。,5,直流电机PWM控制实现部分:主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。L298是双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。本次设计为驱动四台直流电机的清洁小车，为了形成一个有实际意义的完整系统，简化键盘操作，重点模拟了两台电机的加减速及正反转，形成小车的左右轮,前后轮使用万向轮，这样可以实现转向功能,，并检测其中左轮电机的实时转速,另外两台电机作为辅助，分别起扫灰及吸尘作用，拥有独立的启停功能。 13 / 13