基于单片机的直流电机调速系统的课程设计
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一、总体设计概述
本设计基于8051单片机为主控芯片,霍尔元件为测速元件, L298N为直流伺服电机的驱动芯片,利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度,同时可通过矩
阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作,并由LCD显示速度的变化值。
二、直流电机调速原理
根据直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和它励两种类型,其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速,总满足下式:
式中U——电压;
Ra——励磁绕组本身的内阻;
——每极磁通(wb );
Ce——电势常数;
Ct——转矩常数。
由上式可知,直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通,其控制功率虽然较小,但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制,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。
电枢控制法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来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻,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。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点,在工业生产中广泛使用,其中PWM应用更广泛。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的电压的“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”。如
果电机始终接通电源是,电机转速最大为Vmax,占空比为D=t1/t,则电机的平均转速:Vd=Vmax*D,可见只要改变占空比D,就可以调整电机的速度。平均转
速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。
三、系统硬件设计
1、调速系统总体分析设计
以单片机作为控制的核心,采用H桥电路芯片L298完成电机驱动主电路,霍尔器件构成速度采集并转换为脉冲电路,PWM模拟发生器,通过LCD显示器输出电机的转速与3*4的键盘组成人机接口电路实现起动、加速、减速、反转、制动的功能。
2、PWM信号发生电路
PWM(脉冲宽度调制)是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面,比如:电机调速、温度控制、压力控制等等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的,从而来控制电动机的转所示:2-8又被称为“开关驱动装置”。如图PWM速。也正因为如此,
图二: PWM方波
设电机始终接通电源时,电机转速最大为Vmax,设占空比为D= t1 / T,则电机的平均速度为Va = Vmax * D,其中Va指的是电机的平均速度;Vmax 是指电机在全通电时的最大速度;D = t1 / T是指占空比。
由上面的公式可见,当我们改变占空比D = t1 / T时,就可以得到不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。严格来说,平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系,但是在一般的应用中,我们可以将其近似地看成是线性关系。
3、单元模块设计
㈠驱动主电路模块
功率放大驱动芯片有多种,此次我们所用的芯片为L298主控芯片。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7 V电压。4脚VS接电源电压,VS电压范围VIH为+2.5~46 V。输出
L298N引脚图
脚下管的发射极分别单独15脚和1,可驱动电感性负载。5 A.2电流可达
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,控制电机的正反转。EnA,EnB接控制使能端,控制电机的停转。在实际运用中由于存在从强电到弱电的连接,为保护电路,L298N的输入端in1和in2都必须采用图中所示的光耦合隔离电路进行隔离。图中二极管的作用是消除电机的反向电动势,保护电路,因此采用整流二极管比较合适。PWM控制信号由in1、in2输入。如果in1为高电平,in2为低电平时电机为正向转速,反之in1为低电平,in2为高电平时,电机为反向转速。本设计将in2直接接地,即采用单向制动的方式。如下图三所示:
图三:L298驱动电路
⑵人机接口电路
①接口电路的扩展
80C51单片机与可编程并行I/O接口扩展接口8155A,该连接可以直接连接而不需要添加任何逻辑器件,其接口电路图如图三所示。在图中,80C51单片机P0输出的低8位地址不需另加锁存器而直接与8155A的AD0-AD7相连,即作为低八位地址总线又作数据总线。地址锁存直接用ALE在8155A锁存。8155A的CE端与P2.7相连,IO/M端与P2.0相连。当P2.7为低电平时若P2.0=1,访问8155A 的I/O口;若P2.0=0,访问8155A的RAM单元,由此可以得到8155A的地址编码如下:RAM字节地址 7E00—7E00H
I/O口地址(命令/状态口 7F00H,PA口 7F01H,PB口 7F02H,PC口 7F03H,)7F05H 位八高器时定,7F04H 位八低器时定
图四:人机接口电路
②矩阵键盘电路
本设计采用4*3矩阵键盘,它们分别与P1口相连,作为设定速度的输入。12个按键功能描述:0~9的10个数字键,next和ok两个功能键。连接在P1端口进行扫描,ok键就是确认键,功能是将设置好参数后退出设置模式,next键按下后就是将光标切换到下一个要设置的位值。其电路如图五所示。
图五:键盘电路