文档介绍：二○一一~二○一二学年第一学期
信息科学与工程学院
自动化系
课程设计报告书
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课程名称: 计算机控制与接口技术
指导教师: 潘炼
2011年 12月 5日
设计题目: 单片机控制直流电机
直流电机调速性能好,可靠性高,机械特性强,在自动控制中的应用极为广泛。直流电机的调速系统多种多样,但系统复杂,控制精度和成品价格难以兼顾。本文使用价格低廉、应用广泛的MCS - 51 系列单片机为控制芯片,以PI 调节控制算法为基础,完成对直流电机转速的调节,达到了控制性能好,成本低的目的。本文重点阐述了该系统的基本工作原理、所采用的相关技术等,进而交代了电机转速测量控制的实现方法。
硬件设计总体思路
根据本次课程设计的具体要求为,使用LCD显示出直流电机的转速,我们由题目可以分析出,这个题目实际是由多个部分组成的。
既第一个部分应该为,用单片机控制直流电机的转速,并且系统应提供直流电机驱动、测速电路,使用单片机驱动直流电机,测量直流电机的转速,控制直流电机稳定运行在一个范围内。
其二,可以分析出第二个部分应该为,使用LCD显示系统显示出直流电机的具体转速,并且单片机控制的电机实际转速与液晶显示器显示出的转速应该时时对应。
其三,这个硬件系统的隐含意义是,本系统应该具有数模和模数转换的部分,因为这个模数转换部分在这个系统中是不可缺少的,单片机控制的直流电机转速,在实际中无论是对电机控制的信号,还是电机输出的信号都应该是数字信号,因为只有数字信号才能被单片机所识别,而最重要的是,单片机控制的直流电机输出的转速的信号只有是数字信号时才能被液晶显示LCD模块所识别,并最终准确的显示出直流电机的转速。
设计原理方框图如图2-2 所示, 以AT89C51单片机为控制核心,包括测速电路、PWM波形发生器和PWM功放电路以及LCD显示部分。
图2-2硬件方框设计原理图
直流电动机结构由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,所以通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关和调速器组成。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势,靠换向器配合电刷的换向作用,使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱动电机旋转。通过对三极管的截止与导通进行控制,使其起到开、关和调速的作用。具体的操作为当直流电动机接上直流电源时,使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电压。如直流电机控制原理图2-3
图2-3直流电机控制原理
1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止,则电动机不转动;
2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态,随着集极电压改变,从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。具体原理为集极的电压大小不一样,三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调速作用改变直流电动机的旋转速度。
直流电动机的转速控制方法可以分为2大类:对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制,在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。并且励磁线圈电感较大,动态性能响应较差,所以这种控制方法用的很少,多使用电枢控制法。本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度和转向进行控制。电机调速控制模块的方案假设:
直流电机转速调节:
某些场合往往要求直流电机的转速在一定范围内可调节,例如,电车、机床等,调节范围根据负载的要求而定。调速可以有三种方法:(1)改变电机两端电压;(2)改变磁通;(3)在电枢回路中,串联调节电阻。采用第一种方法:通过改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的。
测速电路由附在电机转子上的光电编码盘及施密特整形电路组成。电脉冲的频率与电机的转速成固定的比例关系,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为标准的TTL 电平, 输入到单片机的两个外部中断:INT0和INT1, 利用单片机内部定时器/计数器T0和T1,以及内部一个寄存器作软计数器,循环地捕捉相邻两次速度脉冲,并由这两次触发所记录的时间差算出其转速,再将这个转速与预置转速进行比较,得出差值,单片机通过对这个差值进行P I运算,得出控制增量,在P010 ~P013引脚送出