基于单片机的直流电机调速
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目录题目:基于单片机的直流
电机调速系统班级:电信13-2班
姓名:王坤
学号:
指导教师:张沛泓
成绩:
工程实训报告
电子与信息工程学院
信息与通信工程系
一直流电机调速器简介
直流电机调速器
脉宽调制的全称为:PulseWidthModulator 简称PWM,直流电机调速器就是调节直流电动机速度的设备,由于直流电动机具有低转速大力矩的特点,是交流电动机无法取代的,因此调节直流电动机速度的设备—直流调速器,由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在:工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。
调速原理
直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的
机械特性曲线有所不同,对于直流电动机的转速有以下公式:
其中:
U —电压; R 内—励磁绕组电阻;φ—磁通(Wb);
C c —电势常数;C r —转矩常量。
由上式可知,直流电机的速度控制分两种方法,有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣,对于磁场控制法,其控制功率较小,低速传动时易受到磁极饱和限制,而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适,电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运 动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分 主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成,如下图所示:
图1-1 直流电机工作原理图
电枢控制即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。在电机调速中广泛使用,其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是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。
图1-2 直流电机脉宽调制图
根据上图,当电动机始终接通电源时,电机转速最大为m ax V ,占空比为T
t D 1=,则电机的平均速度为:D V V D *max =可见只要改变占空比D ,就可以得到不同的电机速度,从而实现调速。
直流调速系统实现方式
PWM 为主控电路的调速系统:基于单片机类由软件来实现PWM ,在PWM 调速系统中占空比是一个重要参数,电源电压不变时,电枢端电压的平均值取决于占空比的大小,改变的值可以改变电枢端电压的平均值:
1、定宽调频法:保持t1不变,只改变t ,使周期也随之改变。
2、调宽调频法:保持t 不变,只改变t1,使周期或频率也随之改变。
3、定频调宽法:保持周期T(或频率)不变,同时改变t1和t 。
1和2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,因而不合适,用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。
控制程序的设计
软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后,系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序,根据的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮,调整输出高低电平的占空比,从而可以控制高低电平的延时时间,进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。
二系统硬件电路的设计
系统总体设计框图及单片机系统的设计
本系统采用STC89C51控制输出数据,由单片机IO口产生PWM信号,送到直流电机,直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机,进行转速显示,从而实现对电机速度和转向的控制,达到直流电机调速的目的。
具体使用器件如下:
1) 9*15万用板2) 51单片机 3)40脚IC座4) 1602液晶5) 16p母座
6) 16p排针7) 10k电阻*3 8) 1k电阻*5 9) 3v直流电机10) 磁铁*2
11) 塑料管12) 3144霍尔传感器13) 4148二极管*4 14) 8050三极管*4
15) 8550三极管*2 16) 103排阻17) 104独石电容18) 10uf电解电容
19)30pf瓷片电容*2 20) 12M晶振21) 按键*6 22) 自锁开关
23) DC电源插口24) 导线若干25) 焊锡若干26) USB电源线
所以,直流电机调速系统总体设计框图如下所示:
图2-1系统总体设计图
STC89C51单片机
STC89C51单片机由CPU和8个部件组成,它们都通过片内单一总线连接,其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式,但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
中央处理器CPU:它是单片机的核心,完成运算和控制功能。
内部数据存储器:STC89C51芯片中共有256个RAM单元,能作为存储器使用的只是前128个单元,其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元,简称内部RAM。
内部程序存储器:STC89C51芯片内部共有4K个单元,用于存储程序、原始数据或表格,简称内部ROM。
定时器:STC89C51片内有2个16位的定时器,用来实现定时或者计数功能,并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统:该芯片共有5个中断源,即外部中断2个,定时/计数中断2个和串行中断1个。
其基本组成如下图所示:
图2-2 单片机的组成
STC89C51单片机引脚图及其功能
图2-3 单片机引脚图
VCC:供电电压。
GND:接地。
P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉