毕 业 设 计 (论 文 )
题 目 基于单片机的直流电机调速设计
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指导教师
定稿日期: 2011 年 6 月 1 日
目
录
前言 ·································· 1
1.总体设计方案 ···························· 2
(一)方案一:PWM 波调速 ·······················2
(二)方案二:晶闸管调速 ······················ 3
2.单元模块设计 ···························· 4
(一) H 桥驱动电路设计方案 ····················· 4
(二) 调速设计方案 ························ 5
(三)系统硬件电路设计 ······················· 6
1.电源电路 ····························6
2.H 桥驱动电路 ························· 7
3.基于霍尔传感器的测速模块 ··················· 7
4.LCD 显示模块 ························· 8
(四) 调速设计模块 ························ 9
1.PWM 波软件软件设计 ······················ 9
2.测速软件设计 ·························12
3.系统功能调试 ··························· 13
(一)调试软件介绍 ························· 13
(二)直流电机的调速功能仿真 ···················· 14
1.调速前的波形图 ························14
2.调速后的波形图 ························14
(三)电机速度的测量并显示功能仿真 ················· 15
(四)系统的电路原理图 ······················· 15
(五)系统的 PCB 图 ························· 16
4.设计总结 ······························ 17
5.参考文献 ······························ 17
附录 ································· 17
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前言
在现代电子产品中,自动控制系统,电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面,
直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等,
都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机,大体上可
分为四类:几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交
流电机
直流电机具有良好的启动性能和调速特性,它的特点是启动转矩大,最大转矩大,
能在宽广的范围内平滑、经济地调速,转速控制容易,调速后效率很高。与交流调速相
比,直流电机结构复杂,生产成本高,维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢
量控制技术的成熟,使得矢量控制变频技术获得迅猛发展,从而研制出各种类型、各种
功率的变频调速装置,并在工业上得到广泛应用。适用范围:直流调速器在数控机床、
造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、
生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车
辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交
流传动应用比重逐年上升,在工业部门中,用可调速交流传动取代直流传动将成为历史
的必然。
尽管如此,我认为设计一个直流电机调速系统,不论是从学习还是实践的角度,对
一名电子信息工程专业的大学生都会产生积极地作用,有利于提高学习热情。
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(一)方案一:PWM 波调速
1.总体设计方案
采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路(图 1—1)。用单片机控制达林顿管使之工作
在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止
模式下,效率非常高;H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的
速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的 PWM 调速技术。我们采用了定频调宽方式,
因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定;并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件
实现上比较方便。且对于直流电机,采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。
图 1
PWM 波调速电路
其结构图如图 1—2 所示:
显示器
键 盘
单片机(速度的
测量计算、输入
设定及系统控
制)
速度采集电路
电机
单片机(PID 运算控制器、
PWM 模拟发生器)
电机驱动电路
图 2 电机调速系统框图
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(二)方案二:晶闸管调速
采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流
电动机调速系统。1957 年,晶闸管(俗称“可控硅”)问世,到了 60 年代,已生产出成
套的晶闸管整流装置,并应用于直流电动机调速系统,即晶闸管可控整流器供电的直流
调速系统(V-M 系统)。如图 1-3,VT 是晶闸管可控整流器,通过调节触发装置 GT 的控
制电压 cU 来移动触发脉冲的相位,即可改变整流电压 dU ,从而实现平滑调速。晶闸管
整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高,而且在技术性能上也显示出较大的优
越性;晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 410 以上,其门极电流可以直接用晶体管来
控制,不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上,变流机
组是秒级,而晶闸管整流器是毫秒级,这将大大提高系统的动态性能。因此,在 60 年
代到 70 年代,晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M 系统)代替旋转变流机组直
流电动机调速系统(G-M 系统),得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性,它
不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难;晶闸管对过电压、过电流和过高的 du dt
与 di dt 都十分敏感,若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外,由谐波与无功
功率引起电网电压波形畸变,殃及附近的用电设备,造成“电力公害”,因此必须添置
无功补偿和谐波滤波装置。
图 3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M 系统)
兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,因此本设计采用
方案一。
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(一) H 桥驱动电路设计方案
2.单元模块设计
图 2-1 所示的 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机,电路得名于“H 桥
驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H。如图 1.1-1 所示,要使电机运转,必须导通对
角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左
流过电机,从而控制电机的转向。
图 4
H 桥驱动电路
要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。例如,如图 2-2 所示,当 Q1
管和 Q4 管导通时,电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机,然后再经 Q4 回到电源
负极。按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4
导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向 转动(电机周围的箭头
指示为顺时针方向)。
图 5
H 桥驱动电机顺时针转动
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图 2-3 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况,电流将从右至左流过电机。当三
极管 Q2 和 Q3 导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机
周围的箭头表示为逆时针方向)。
图 6
H 桥驱动电机逆时针转动
(二) 调速设计方案
调速采用 PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制,工作原理:通过产生矩形波,
改变占空比,以达到调整脉宽的目的。PWM 的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数
字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率
控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化,其时间和幅度的分辨率都没有
限制。9V 电池就是一种模拟器件,因为它的输出电压并不精确地等于 9V,而是随时间
发生变化,并可取任何实数值。与此类似,从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取
值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能
取值集合之内,例如在{0V,5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制,如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的
模拟收音机中,音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时,电阻值变大或变小;流
经这个电阻的电流也随之增加或减少,从而改变了驱动扬声器的电流值,使音量相应变
大或变小。与收音机一样,模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单,但它并不总是非常经济或可行的。其中一点
就是,模拟电路容易随时间漂移,因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可
能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热,其
功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感,任
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何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路,可以大幅度
降低系统的成本和功耗。此外,许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器,
这使数字控制的实现变得更加容易了。
(三)系统硬件电路设计
1.电源电路
(1)芯片介绍
78XX,XX 就代表它所输出的电压值,能降低电压 4-5V
电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的 78××系列和负电压输出
的 79××系列。故名思义,三端 IC 是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出,分
别是输入端、接地端和输出端。
用 78/79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过
流、过热及调整管的保护电路。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表
该三端集成稳压电路的输出电压,如 7806 表示输出电压为正 6V,7909 表示输出电压为
负 9V。
有时在数字 78 或 79 后面还有一个 M 或 L,如 78M12 或 79L24,用来区别输出电流和
封装形式等,其中 78L 调系列的最大输出电流为 100mA,78M 系列最大输出电流为 1A,
78 系列最大输出电流为 1.5A。在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大的
散热器(当然小功率的条件下不用)。当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损
坏。
(2)电路原理图
电源电路采用 78 系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图 2-4:
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