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1、-基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统课程设计-第 12 页成绩运动控制系统课程设计题 目: 基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统 院系名称: 电气工程学院 专业班级: xxx 学生姓名: xxx 学 号: xxxx 指导教师: 石庆生 评语：摘 要单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。直流电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation简称PWM）调速
2、产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而MCS51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了MCS51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。目 录1、前言31.1 单片机的发展史31.2 本设计任务42、总体设计方案53、硬件电路设计53.1硬件组成53.2主要器件功能介绍63.2.1直流伺服电机简介63.2.2 PWM简介及调
3、速原理73.2.3 传感器选择83.3 电路组成93.3.1 晶振电路93.3.2 复位电路93.3.3 单相桥式整流电路103.3.4 调制电路104、系统软件设计114.1系统简介及原理114.2系统设计原理114.3 程序流程图135、建模145.1控制框图145.2参数计算155.3 PWM变换器环节的数学模型165.4 仿真结果图17总 结18参考文献18附件1：汇编设计19附件2：211、前言1.1 单片机的发展史单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。自单片机诞生至今以发展为上百种系列的近千个分支。如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为
4、以下几个阶段：（1）第一阶段（19761978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取 得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词由此而来。（2）第二阶段（19781982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS48的基础上推出了完善的，典型的单片机系列MCS51.它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线16位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。 CPU外围功能单元的集中管理模式。
5、 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。（3）第三阶段（19821990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器的特征。随着MCS51系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路的功能，强化了智能控制的特征。（4）第四阶段（1990）：微控制器的全
6、面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 1.2 本设计任务任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。功能主要包括：1) 直流电机的正转；2) 直流电机的反转；3) 直流电机的加速；4) 直流电机的减速；5) 直流电机的转速在数码管上显示；6) 直流电机的启动；7) 直流电机的停止；2、总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。数码管显示按键控制单片机PWM电机驱动图1键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉
7、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数码管显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时最高位显示“三” ，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F”，其它三位为电机转速。每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。 3、硬件电路设计3.1硬件组成本系统由PC机、MCS-51单片机开发系统、PWM脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。具体相关硬件如下所示：二极管（1N4077）4个，场效应管（2SJ50）4个，非门74LS04 1个，与门74LS08 2个，电容（CAPACITOR） 2个
8、，芯片（AT89C51） 1个，开关（BUTTON）3个，直流伺服电动机（MOTOR）1个，电阻（RES）4个，电源3个，地（GROUND）4个。如表3.1所示：硬件型号数量硬件型号数量1N40774MOTOR12SJ504RES474LS041CAPACITOR274LS082GROUND4AT89C511VCC3BUTTON3表3.1 元件表3.2主要器件功能介绍3.2.1直流伺服电机简介伺服电机也称执行电机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号小时，转子能即使自行停转，由于这种“伺服”性能，因此而得名。按照在自动控制系
9、统中的功用所要求，伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控制性好是指寻好消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降，速应性强是指反应快，灵敏。直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂的机械特性、线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为45SY01型,其转速n的计算公式如下:n=E/K=(Ua-IaRa)/K式中n为转速;为磁通;E为电枢反电势;Ua为外加电压;IaRa为电枢电流和电阻。 直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较：直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。只要在其
10、励磁绕组中有电流通过且产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时，电动机立即停转，它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。3.2.2 PWM简介及调速原理（1）简介：PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等待地获得所需要波形。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持在数字形式可将噪声影响降到最小。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。（2）
11、调速原理：占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。其变化范围为01。如图2.1，在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值U取决于占空比的大小。改变其值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。在PWM调速时，占空比是一个重要的参数。以下是3种方式都可以改变占空比的值：图2.1 占空比示意图计算公式：占空比=ton/Ta)定宽调频法b)调宽调频法c)定频调宽法目前，在直流伺服电机的控制中，主要使用定频调宽法。（3）与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲动很小的直流电流，电枢容易连续，系统的低
12、速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。 同样由于开关频率高，若与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。 由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率比较高。3.2.3 传感器选择霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz) ,耐震动，不怕灰尘、油污
13、、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽。其中最常用的有以下几种：（1）霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装在与电机轴同轴的永磁体。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120电角度，永磁体的极弧
14、宽度为180电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180电角、相位互差120电角的矩形波信号。第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。（2）电磁式位置传感器 电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可
15、控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。3.3 电路组成3.3.1 晶振电路图2.3.1晶振电路图，由两个电容和一个晶振组成，晶振频率为12MHZ。图2.3.1晶振电路图3.3.2 复位电路图2.3.2为复位电路图，由直流电源，电容和电阻组成，其主要功能是对单片机进行复位功能。图2.3.2复位电路图3.3.3 单相桥式整流电路图2.3.3是单相桥式整流电路图，由4个场效应管IGBT和四个
16、二极管组成，其功能是将交流电转化成直流电。其负载为伺服直流电机，通过门控信号的改变可以调节电机的转速和转向图2.3.3单相桥式整流电路图3.3.4 调制电路图2.3.4是调制电路图，由两个与门和一个非门组成，其功能主要是产生PWM脉冲来控制IGBT。图2.3.4调制电路图4、系统软件设计4.1系统简介及原理该课设是基于单片机利用脉冲宽度调制来控制伺服直流电动机的转速以及转向，是一个典型的控制系统。脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的。当增加脉冲的占空比，伺服直流电动机转速增加；反之，其速度降低。所以通过控制脉冲的占空比可以控制伺服直流电动机的转速。单片机AT89C51，其主要功能
17、就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通过固定程序，通过对信号的识别，输出相应的控制信号。采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。以电动机作为负载，工作时Q1,Q3的通断状态互补，Q2,Q4的通断状态也互补。PWM逆变电路中间是调制电路，输入信号分别是信号波和载波，输出的信号分别送至4个IGBT的门极，对其控制。4.2系统设计原理（1）正反转控制原理该系统中利用开关K3控制伺服直流电动机的正反转。当开关闭合时既输入信号为1，通过单片机编程处理后，控制电动机的正转；反之，控制电动机的反转。实现该功能的子程序为：LOOP: JB K3,LOOPZF ；高电平逆时针转，低电平顺时针转 CL
18、R ZF ；针转 LJMP LOOPK1LOOPZF: SETB ZF（2）加速控制原理该系统中利用开关K1控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信号为1，通过单片机编程处理后，增加控制脉冲的占空比，从而增大了电动机两侧的电压，使伺服直流电动机加速；反之，电动机保持匀速转动。实现该功能的子程序为：LOOPK1: JB K1,LOOPK2 ；K1按下加速 LCALL DELAY MOV A,PWML ADD A,#1 ；调宽值低4位加1 MOV PWML,A MOV A,PWMH ADDC A,#0 ；调宽值高4位加1 MOV PWMH,A JNC LOOPK2 ；最大值时 MOV PWM
19、H,#0FFH（3）减速控制原理该系统中利用开关K2控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信号为1，通过单片机编程处理后，减少控制脉冲的占空比，从而减小了电动机两侧的电压，使伺服直流电动机减速；反之，电动机保持匀速转动。实现该功能的子程序为：LOOPK2: JB K2,OVER ；K2按下减速 LCALL DELAY MOV A,PWML CLR C SUBB A,#1 ；调宽值低4位减1 MOV PWML,A MOV A,PWMH SUBB A,#0 ；调宽值高4位减1 MOV PWMH,A JNC OVER MOV PWMH,#00H ；最小值时4.3 程序流程图由以下流程图可知，系
20、统先检测开关3（正反转开关）的信号。如果是0信号（开的状态），则发出正转信号，电动机正转，反之电动机反转。检测完开关3，接下来检测开关1（加速开关），若信号为1（关的状态），发出加速的信号，电动机加速，若信号为0（开的状态），速度保持不变。再检测开关2（减速开关），若信号为1（关的状态），发出减速的信号，电动机减速，若信号为0（开的状态），速度保持不变。系统一直对三个开关信号循环检测，循环的执行程序。图4.3程序流程图5、建模5.1控制框图 根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。 转速用与电动机同轴相连的测速电机产
21、生的正比于转速的电压信号反馈到输入端，再与给定值比较，经放大环节产生控制电压，再通过电力电子变换器来调节电机回路电流，达到控制电机转速的目的。这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图5.1表示，就得到了系统的稳态结构框图。图5.1单闭环直流调速系统稳态结构框图 同理，用各环节的输入输出特性，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就得到了系统的动态结构框图。由所学的相关课程知：放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直
22、流电动机是一个二阶线性环节。所以，可以得到5.2的框图：图5.2单闭环直流调速系统动态结构框图5.2参数计算 设计完系统框图，就可以用已知的传递函数结合设计要求中给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。以便于后续步骤利用经典控制论对系统的分析。为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先列出设计要求中给出的参数及大小： 电动机：PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5 晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v Ks=44 主回路总电阻：R=1 测速发电机：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm
23、 系统运动部分：飞轮矩GD2=10Nm2 电枢回路总电感量：要求在主回路电流为额定值10时，电流仍连续 生产机械：D=10 s51、静态参数设计计算 A、空载到额定负载的速降nN由公式： （其中D，s已知） 得：nN5.26rpm B、系统开环放大倍数K由公式： （由公式 算出Ce =0.1925Vmin/r） 得：K=53.3 C、测速反馈环节放大系数a设：测速发电机电动势系数= UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r测速发电机输出电位器RP2分压系数a2根据经验，人为选定a2=0.2则a=Cec a2=0.01158 2、RP2的选择主要从功耗方面考虑，以不致过热为原则。D、运算放大
24、器的放大系数Kp由公式 （其中即a） Kp 20.14 取Kp=21 （若向小方向取，可能影响快速性，由于后加限幅电路，略大无妨）此处的近似，使k由53.3变为55.582、动态参数设计计算 在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传函，所以要求出传函并根据已知求的传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。5.3 PWM变换器环节的数学模型图5.3绘出了PWM控制器和变换器的框图，其驱动电压都由 PWM 控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分
25、析，不难看出，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 T 。图5.3 PWM变换器环节框图根据其工作原理，当控制电压改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此Kp脉宽调制器
26、和PWM变换器的放大系数。 5.4 仿真结果图下图是系统的仿真图，图中左下方是三个控制开关，分别控制直流伺服电动机的正反转，加减速。开关按下时，是高电平信号，开关开时，是低电平信号（信号为高电平时有效）。开关右侧的单片机AT89C51，其主要功能就是将开关的模拟信号转化成数字信号，并通过固定程序，通过对信号的识别，输出相应的控制信号。系统图的最右侧是采用IGBT作为开关器件的单相桥式PWM逆变电路。以电动机作为负载，工作时Q1,Q3的通断状态互补，Q2,Q4的通断状态也互补。PWM逆变电路下方是调制电路，输入信号分别是信号波和载波，输出的信号分别送至4个IGBT的门极，对其控制。图5.4 仿真
27、结果图总 结通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电机技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手设计与仿真调试，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。本设计的中心思想就是结合各课的知识，来完成一个综合的设计。通过单片机产生PWM脉冲，来控制单相桥式整流电路，从而实现了对直流伺服电动机的调速控制。在今后的学习中，我不但要将理论知识学好，还要将其应用到实践，并且将各科知识联系起来应用。参考文献【1】蒋辉平 基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例(M)。机械工业
28、出版社，2009【2】李群芳 单片微机计算机与接口技术(M)北京。电子工业出版社，2008【3】余国卫 单片微机计算机与接口技术实验指导书附件1：汇编设计K1 BIT P1.4 ；加速键K2 BIT P1.5 ；减速键K3 BIT P1.6 ；正反键CLK BIT P0.0 ；速度控制信号ZF BIT P0.1 ；正反控制信号PWMH EQU 30H ；调宽值，定时器所赋值PWML EQU 31HORG 0000HLJMP MAINORG 000BH ；中断1控制周期LJMP TIMER1ORG 001BH ；中断3控制脉宽LJMP TIMER2ORG 0030HMAIN: MOV PWMH,
29、#00H MOV PWML,#0FH MOV TMOD,#11H ；两个定时器都工作在方式1 MOV TH0,#00H ；65.536mm定时 MOV TL0,#00H MOV TH1,PWMH ；脉宽 MOV TL1,PWML SETB EA ；CPU允许中断 SETB ET0 ；允许定时器T0中断 SETB ET1 ；允许定时器T1中断 SETB TR0 ；定时器T0计数 CLR CLKLOOP: JB K3,LOOPZF ；高电平逆时针转，低电平顺时针转 CLR ZF ；针转 LJMP LOOPK1LOOPZF: SETB ZFLOOPK1: JB K1,LOOPK2 ；K1按下加速 L
30、CALL DELAY MOV A,PWML ADD A,#1 ；调宽值低4位加1 MOV PWML,A MOV A,PWMH ADDC A,#0 ；调宽值高4位加1 MOV PWMH,A JNC LOOPK2 ；最大值时 MOV PWMH,#0FFHLOOPK2: JB K2,OVER ；K2按下减速 LCALL DELAY MOV A,PWML CLR C SUBB A,#1 ；调宽值低4位减1 MOV PWML,A MOV A,PWMH SUBB A,#0 ；调宽值高4位减1 MOV PWMH,A JNC OVER MOV PWMH,#00H ；最小值时OVER: LJMP LOOPTIMER1: CLR TR1 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H MOV TH1,PWMH ；赋调宽值 MOV TL1,PWML SETB TR1 CLR CLK RETITIMER2: CLR TR1 SETB CLK RETIDELAY: MOV R4,#10HD1: DJNZ R4,D1 RET END 附件2：