《2022年直流电机PWM调速与控制分析方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年直流电机PWM调速与控制分析方案.docx（36页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选学习资料 - - - - - - - - - 综 合 设 计 报 告单位：自动化学院同学姓名：专 业： 测控技术与仪器班 级： 0820801 学 号：指导老师：成 绩：设计时间： 2022 年 12 月重庆邮电高校自动化学院制1 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 一、题目直流电机调速与掌握系统设计；二、技术要求设计直流电机调速与掌握系统,要求如下：1、学习直流电机调速与掌握的基本原理；2、明白直流电机速度脉冲检测原理；3、利用 51 单片机和合适的电机驱动芯片设计掌握器及速度检测电路；4、使用 C语
2、言编写掌握程序,通过实时串口能够完成和上位机的通信；5、挑选合适掌握平台,绘制系统的组建结构图,给出完整的设计流程图；6、要求电机能实现正反转掌握；7、系统具有实时显示电机速度功能；8、电机的设定速度由电位器输入；9、电机的速度调剂误差应在答应的误差范畴内；三、给定条件1、直流电机驱动原理,单片机原理及接口技术等参考资料；2、电阻、电容等各种分别元件、IC、直流电机、电源等；3、STC12C5A60S2单片机、 LM298以及 PC机；四、设计 1. 确定总体方案；2. 画出系统结构图；3. 挑选以电机掌握芯片和单片机及速度检测电路,设计硬件电路；4. 设计串口及通信程序,完成和上位机的通信；
3、5. 画出程序流程图并编写调试代码,完成报告；2 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 直流电机调速与掌握摘要：当今社会,电动机作为最主要的机电能量转换装置,其应用范畴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,仍是在日常生活的家用电器和消费电子产品 式中 :U- 电枢端电压； I- 电枢电流； R-电枢电路总电阻； - 每极磁通量； K-与电机结构有关的常数,因此直流电机转速n 的掌握方法有三种,主要以调压调速为主；本掌握器主要通过脉宽
4、调制PWM来掌握电动机电枢电压,实现调速；调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调PWM脉冲频；本系统采纳了定频调脉宽方式的PWM掌握,由于采纳这种方式,电动机在运转时比较稳固；并且在采纳单片机产生的软件实现上比较便利；对直流电机转速的掌握即可采纳开环掌握 , 也可采纳闭环掌握；与开环掌握相比 , 速度掌握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；抱负空载转速相同时 , 闭环系统的静差率 额定负载时电机转速降落与抱负空载转速之比）要小得多；当要求的静差率相同时 方案如图 1 所示；, 闭环调速系统的调速范畴可以大大提高；直流电机的速度掌
5、握转速设定值偏差调剂器驱动电路直流电机转速输出+ - 测速装置图 1 直流电机速度闭环掌握方案4 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 二、 系统硬件设计1系统总体设计框图本系统采纳 STC12C5A60S作为掌握核心,用上位机显示设定转速和测量转速以及掌握电机；采纳 LM298驱动芯片作为本系统的驱动电路和用槽型光耦 GK105 作为该系统的测量电路；框图如 2所示；LM298 时钟电路驱动电 路直流电机STC12C5A60SUART 串口电路光 耦 测 速2 单片机上位机显示与掌握管信 号 调 理速 度
6、模 拟电路量 输 入 电路电源模块图 2 直流电机掌握系统总体框图2模块电路及功能介绍2.1单片机最小系统电路单片机主要善于系统掌握,而不适合做复杂的数据处理,在设计单片机最小系统时我们选用 STC12C5A60S2位DIP-40 封装的单片机作为 MCU；STC12C5A60S2芯片是有宏晶科技生产的单时钟 ./ 机器周期 *60 ；V:速度 R/min N:每秒采样的脉冲个数 图7 电机转 1圈 GK105光耦管信号 2.3.2 速度脉冲信号调理电路4 个脉冲 , 因此可以利用槽型光耦传感器信号得到电机的实际转速；为尽可能缩短给电机加电让其带动编码回旋转,将光电对管靠近编码盘,用示波器观测
7、输出脉冲信号的有无与好坏；信号调理电路主要利用 LM324 运算放大器设计的比较器,如图8 所示,调剂比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于3.3V ；为了提高测速的精度,在信号后级添加比较器调理信号为标准的方波,调剂比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速；图 8 基于 LM324的信号调理电路2.4串口电路设计MAX232 芯片是美信公司特地为电脑的 RS-232 标准串口设计的接口电路,使用 +5V 单电源供电；其内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路,由 1、 2、 3、4、 5、 6 脚和 4 只电容构成；功能是产生 +12V 和-12V 两个电源,供应应 RS-232
8、 串口电平的需要；其次部分是数据转换通道,由 7、 8、 9、 10、 11 、12 、 13、 14 脚构成两个数据通道；其中 13 脚R1IN）、 12 脚R1OUT）、 11 脚T1IN ）、 14 脚T1OUT）为第一数据通道；8 脚R2IN ）、 9 脚R2OUT）、 10 脚T2IN ）、 7脚T2OUT）为其次数据通道；TTL/CMOS 数据从 T1IN 、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DB9 插头；DB9插头的 RS-232 数据从 R1IN 、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS数据后从 R1OUT、 R2OUT输出；第三部分
9、是供电,15 脚 GND、 16脚 VCC+5V）；电路如图 9 所示；8 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 6 2RS-232DB97+5V14U2T1_IN11+C21TXD3 8T1_OUT47T2_OUTT2_IN10RXD9513R1_INR1_OUT12GNDC198R2_INR2_OUT9+10uf/50V16VCCC1+110uf/50VC202V+C1-3+C2264V-C2+155GNDC2-+10uf/50V10uf/50VMAX232图 9 串口电路图2.5系统电源设计本系统要
10、求有 5V 和 6 7V 的电源输入,因此我们选用了 LM317 作为电源芯片；LM317 作为输出电压可变的集成三端稳压块,是一种使用便利、应用广泛的集成稳压块；其应用电路如图 10 所示；图 11 为电源滤波电路；图 10 3.3V 稳压电路图 11 滤波电路稳压电源的输出电压可用下式运算,Vo=1.251+R2/R1 ）；本系统中取R1 为 240n,R2取 5K 的可调电位器；通过调剂R2的阻值大小,进而可以转变输出电压的大小,实现电压可调,其可调范畴是Vo=1.25V 37V；在应用中,为了电路的稳固工作,在一般情形下,仍需要接二极管作为爱护电路,防止电路中的电容放电时的高压把 31
11、7 烧坏；9 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.6电机设定速度输入电路本系统采纳了简洁的电位器,通过电位器将5V 电源信号分压在经过单片机A/D 端口输入到CPU 处理,实现电机速度手动的可调,其电路如图12 所示；图 12 电位器速度设置电路三、系统软件设计本程序主要分为 6 大块,主程序、A/D 转换处理程序、PWM输出程序、串口显示与电机状态掌握程序、定时器 0 的中断服务程序,串口中断服务程序；主程序主要做了系统初始化,定时器 0 的初始化和主循环等；配置 STC12C5A60S2 定时器 0
12、为定时器方式 2、50ms 计数器中断,累计 20 次定时器 0 中断为 1 秒,此时 TL1 即光电对管输入的脉冲频率,同时在此一秒内触发 AD采集一次电源电压 Voltage 送入内存并通过运算转换成设定的速度值；PC终端的显示也是没隔一秒刷新一次；配置 STC12C5A60S2串行口 1 为方式 2、独立波特率发生器 9600 、答应接收中断；当串口 1 接收到 PC机数据转入中断处理程序,检测接收到的数据以此来区分数据是属于哪种掌握信号；配置STC12C5A60S2 脉宽调制PWM为 8 位、无中断；主程序中循环执行Pwm） 函数实时更换PWM定时器 CCAP1L、CCAP1H的值,实
13、现对电机转速的掌握；1主程序主程序主要功能为系统初始化,定时器0 的初始化和主循环等；流程图如图13 所示10 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 开头系统初始化速 度 脉 冲 信 号 输入 I/O 口扫描否1S 计时标志是速度及 A/D 值采样串口发送数据PWM 输出终止图 13 系统主程序流程图2串口中断发送程序本系统的串口通信指的是单片机与上位机PC 机）之间的串口通信,该通信主要用于测速模块的调试以及在测量转速时,单片机能从上位机PC 机）接收数据或者能将数据发回给上位机/32 ；11 / 24
14、名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 进入发送中断发送 1byte 数据否1字节数据发送完毕？是发送其次字节数据否1字节数据发送完毕？是中断返回图 14 串口发送程序流程图3串口中断接收程序上位机掌握单元解扩出 1bit 数据后,产生一次中断；接收时第一采纳 16bits 接收窗口、 1bit 滑动方式来接收通信的同步帧头 0x09 、 0xAF,帧头接收胜利后,后续数据按每 8bits 一个字节的方式进行截取,得到传送的有效数据,同时将得到的有效数据储备在缓冲单元中；接收过程中,按有关的通信协议进行地址判别、长度接
15、收、校验运算；地址相同的模块对符合通信协议的数据进行应答,转入发送态；程序流程图如图 15 所示；12 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - 进入接收中断清零接收标志否1 字节数据接收完毕？是重组数据中断返回图 15 串口接收程序流程图4A/D 转换程序A/D 转换程序主要用于电机速度的输入模拟信号的采集与转换；程序流程图如图 16 所示；启动指定通道延时否转换终止？是返回转换结果图 16A/D 转换程序流程图5PWM输出程序PWM掌握脉冲宽度调制技术,即通过一系列脉冲的宽度调制来等效地获得所需的波形 ；s
16、peed_poly1=p1*votlage_V+p2；q=polyfitvotlage_D,speed,1；speed_poly2=q1.*votlage_D+q2；figure1 plotvotlage_V,speed,or,votlage_V,speed_poly1；grid on title 电压 V- 转速 r/s figure2 plotvotlage_D,speed,or,votlage_D,speed_poly2；grid on title 电压 D- 转速 r/s 拟合曲线如图 21 所示：16 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 24 页精选学
17、习资料 - - - - - - - - - 图 21 电压速度曲线如图 21 所示,电机电压与转速基本成正比关系,所以可以按最小二乘法进行线性拟合,得到电压与转速关系式为：1）电压为实型,转速 =34.5178* 电压 V -28.91 ,其中 a=34.5178,b=-28.91 ）；2）电压为整型,转速 =0.67373* 电压 D-28.8715 ,其中 a=0.67373 b=-28.8715）；上面两个关系式将作为电机掌握的基本数学模型,有软件算法实现电机输出转速对输入电压的跟踪；2.2 不同转速设定值下电机对应的输出转速及误差如表1输入转输出转肯定输入转输出转肯定误速速差速速误差1
18、213-1 7680-4 1719-2 8078-2 22193 83812 27252 8789-2 33330 8993-4 42402 9397-4 45423 96942 4849-1 99990 5355-2 101102-1 5859-1 103104-1 62620 1061051 65632 109112-3 6971-2 1111110 7376-3 1131121 116119-3 1251250 1191172 128130-2 122126-4 1331312 表 1 电机转速误差表17 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 24 页精选学
19、习资料 - - - - - - - - - 23 电机输出转速误差曲线图 23 电机输出转速相对电压肯定误差曲线图 24 电机输出转速相对电压的相对误差曲线24 系统性能分析对上面图 23、图 24 两个误差曲线分析可以得出以下结论,一方面,当电机两端的电压在 1.5V4.8V 范畴了变化时,电机的转速变化范畴在 12R/S134R/S北京航空航天高校出版社,1998 2胡向东编传感技术.重庆高校出版社,2006 年第 1 版；3. 谭浩强C语言程序设计. 北京：清华高校出版社,2002；8. 后闲哲也编单片机 C 程序设计与实践丛书北京航空航天高校出版社 2022 ；七、 附录程序： #in
20、clude #include #include STC_NEW_8051.H typedef unsigned char INT8U ；typedef unsigned int INT16U ；19 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - typedef unsigned int INT8 ；/以下挑选 ADC 转换速率,只能挑选其中一种 / SPEED1 SPEED0 A/D 转换所需时间 #define AD_SPEED 0x60 / 0110,0000 1 1 70 个时钟周期转换一次 , / CPU
21、工作频率 21MHz 时 A/D 转换速度约 300KHz /#define AD_SPEED 0x40 /0100,0000 1 0 140 个时钟周期转换一次 /#define AD_SPEED 0x20 /0010,0000 0 1 280 个时钟周期转换一次 /#define AD_SPEED 0x00 /0000,0000 0 0 420 个时钟周期转换一次 /#define uchar unsigned char /#define uint unsigned int #define P2M0 0x00 #define P2M1 0x00 #define P0M0 0x00 #def
22、ine P0M1 0x00 sbit caiji=P22 ； sbit led0=P20 ；sbit led1=P21 ；INT8 flag_uart=0,flag_on=0,flag_x=0,flag_xianshi=0,flag_ad=0,n1=0；INT8 ad_vall=0,ad_val=0 ,moto_speed=0,shudu=0,shisu=0；INT8U rec,cont=0,cont2=0 ； /串口、计数器变量 float ad_fl,a1=0,a2=0,b1=0,b2=0 ； /AD 转换函数声明 INT8U get_AD_resultINT8U channel；void
23、 delay0INT8U delay_time； /延时函数声明 void delaychar xms ；void delay0INT8U delay_time； / 延时函数 void timer_init /定时器计数器初始化函数 TMOD=0x21 ； TH0=65536-50000/256 ； TL0=65536-50000%256 ； TH1=0xfd ； TL1=0xfd ；TR1=1 ； ET0=1 ； SM0=0 ； SM1=1 ； REN=1 ； EA=1 ；ES=1； void ad_init / 单片机 AD 初始化函数 20 / 24 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 24 页精选学习资料 - - - - - - - - - P1ASF=0x01 ； /1111,1111, 将 P1 置成模 AD AUXR1 &= 0x04 ；