直流電機調(diào)速課程設計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　嵌入式微控制器又稱單片機。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成ROM、PEPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時P計數(shù)器、WatchDog、IPO、串行口、脈寬調(diào)制輸出、APD、DPA、Flash RAM、E2PROM 等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每

2、種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本，其應用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領域，對各行各業(yè)的技術改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動化化進程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動作用。</p><p>　　ARM是近年來發(fā)展非常迅速的處理器，有很好的應用前景。將其應用于直流電機的調(diào)速控制，有

3、極大的使用價值。以脈寬調(diào)制技術為代表的電機數(shù)字驅動技術也在迅猛發(fā)展，將計算機應用于這一領域正好可以發(fā)揮其在數(shù)字控制方面的優(yōu)勢。</p><p>　　本課題研究了一種直流電機轉速的控制系統(tǒng)?；舅枷刖褪抢肁RM開發(fā)板具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期(頻率)的前提下，通過軟件的方法調(diào)整PWM的占空比，控制電機輸入電壓，進而控制電機轉速。本方法所要求的ARM開發(fā)板必須具有PWM端口，另外，ARM芯片的工作速度

4、盡量快。在收到上位機指令后調(diào)整輸出PWM占空比。脈沖寬度調(diào)制是直流電機調(diào)速中最為有效的方法，即給直流電機輸入高速的開關脈沖信號，通過改變脈沖信號開關的比例，達到速度控制的效果。系統(tǒng)中使用的是前一種固定頻率下改變占空比的PWM方法，在整個過程中改變的僅僅是電壓信號的占空比，至于其它參數(shù)，尤其是脈沖頻率并沒有改變，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率。電機的轉速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此

5、電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快。</p><p>　　PWM采用軟件的方法來實現(xiàn)調(diào)速過程，具有更大的靈活性，實現(xiàn)了硬件設計軟件化。PWM技術是降低直流電機功耗的一種好方法，它使驅動芯片和電機的發(fā)熱減少，從而電機也可以用得更久。并且較好地實現(xiàn)了對直流電機的速度控制，簡化了電路，并具有精度高、快速響應性好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，具有很好的應用前景。</p><p>　　2 總體方

6、案設計： 數(shù)字式直流電機轉速控制系統(tǒng)設計有控制器、PWM驅動器、轉速檢測電路、按鍵設定、顯示輸出五部分。PWM驅動器、轉速檢測電路、按鍵設定、顯示輸出都是由控制器控制實施的?？傮w框圖1-1所示：</p><p><b>　　圖1-1</b></p><p>　　電機轉速是通過光電傳感器檢測產(chǎn)生觸發(fā)脈沖經(jīng)過觸發(fā)器分頻觸發(fā)單片機中斷計數(shù)，經(jīng)定時計數(shù)得到標準計數(shù)值

7、，由單片機對數(shù)據(jù)的計算、處理，建立了時間和脈沖的關系式，得到每分中電機的轉速。將轉速與給定轉速作差得到偏差量，再由PID進行調(diào)節(jié)，使轉速趨近給定轉速實現(xiàn)控制。電機的速控是通過PWM方式控制的。PWM是由三角波發(fā)生電路、比較器、反饋電路。反饋是由單片機輸入偏差量給高速的DA，由DA輸出反饋值作用PWM中達到閉環(huán)反饋控制。電機是由集成H橋芯片驅動，為了防止電壓的擾動控制中增，加了型濾波電路平直電流。電機正反轉是由電壓的正負方向控制的。當切換

8、方向時電路中型濾波電路的電感會產(chǎn)生反電動勢會影響系統(tǒng)供電，嚴重會使系統(tǒng)無法正常工作。所以切換使用了繼電器作為切換開關。按鍵功能可以設定轉速，控制電機的轉動的正反方向。顯示電路是用了高亮數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)是以高精度和實時性相協(xié)調(diào)的原則的基礎上設計的。</p><p>　　2.1方案論證與比較： </p><p>　　2.1 PWM電路選擇</p><p>　　直流電機是

9、利用PWM進行調(diào)速，PWM可以由軟件編程實現(xiàn)，也可由硬件電路實現(xiàn)，但在設計要求精度和實時性都比較高的情況下，單獨使用二者之一是不能完全實現(xiàn)的。因此我們選擇了兩種典型電路來實現(xiàn)PWM，方案如下：</p><p>　　2.1.1由單片機直接控制的PWM</p><p>　　由圖2-1所示可以看到是利用單片機給出比較脈沖，可實現(xiàn)PWM脈寬控制。這樣占用了單片機資源，更重要的是占用了它的大量時間作

10、計算，這樣就失去了控制的實時性。</p><p>　　2.1.2 利用高速的DA實現(xiàn)的PWM</p><p>　　圖2-2用MAX5441作為控制脈寬，MAX5441是高速的十六位DA，大大增加了單片機的工作效率，實現(xiàn)了可調(diào)脈寬的高精度和實時性。因此我們選擇了圖2-2的電路作為PWM最終電路。</p><p>　　2.2檢測裝置電路的選擇與實現(xiàn)方案</p>

11、;<p>　　作為脈沖檢測的傳感器多種多樣，究竟選擇什么樣的傳感器需要考慮諸多因素，我們在設計的方案中測試了幾類型的傳感器：霍爾傳感器、紅外傳感器、光電傳感器。</p><p>　　2. 2 .1霍爾傳感器</p><p>　　霍爾傳感器是利用霍爾效應原理產(chǎn)生的，霍爾德輸入端是以磁感應強度B來度量的，當磁感應強度到達一定程度時，霍爾內(nèi)部觸發(fā)器翻轉?；魻柕幂敵鲭娖揭搽S之翻轉。&

12、lt;/p><p>　　我們用的是A3144。如圖2-3所示A3144外接電路圖，其中輸出OUT端須接上拉電阻。OUT接單片機的外部中斷。VCC和GND是霍爾德電源接口。測試效果不錯，能測試出電機的轉速。但由于電機本身也 是電磁感應裝置，所以在近距離測試時會產(chǎn)生干擾。影響霍爾正常工作。</p><p>　　2.2.2光電傳感器</p><p>　　光電傳感器是主要利用光

13、電效應原理集成的傳感器。它具有響應速度快、結構簡單、可靠性高等優(yōu)點。其內(nèi)部結構是由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。其相對的平面各開有小玻璃窗口。電路結構如圖示四所示:光敏三極管只伸出集電極和發(fā)射極、基極是受光面，當有光照時三極管導通，OUT輸出低電平，無光照時三極管截止，OUT輸出高電平。</p><p>　　其響應速度是微秒級，足以跟蹤電機的轉速。它不受外界電磁的干擾，很適應電機近距離工作，不受電機磁場的影響。設計

14、的電路圖如圖2-5所示：發(fā)光二極管始終通電，發(fā)光二極管與光敏三極管之間是電機的葉輪。通過葉輪的遮擋和缺口給定光敏三極管基極光源。使三極管產(chǎn)生脈沖送出去。</p><p>　　通過對上述兩個傳感器的比較，在本設計中我選擇了光電傳感器。因其響應速度快而且不受電磁干擾，得到更優(yōu)的控制效果。</p><p>　　3電路設計方案及參數(shù)計算</p><p>　　3.1 PWM控

15、制電路設計</p><p>　　PWM是由鋸齒波發(fā)生器、高速比較器、脈沖控制裝置組成，其中的每一個環(huán)節(jié)都影響PWM的品質(zhì)。在設計中每個環(huán)節(jié)都經(jīng)過計算、實驗、調(diào)節(jié)。</p><p>　　3.1.1鋸齒波發(fā)生電路</p><p>　　為了簡單方便設計中使用了RC振蕩電路。如圖3-1所示，R1、R14、D4、D5和Q3形成恒流源。D4、D5保證三極管Q3保持導通，使電容C

16、1有持續(xù)的充電電流。R2和R5分壓使LM358的負輸入端V-V-的電壓穩(wěn)定在0.3V。當電容C1充電電壓大于LM358的負輸入端V-時358輸出正電壓，使Q4導通實現(xiàn)對C1放電。周而復始對C1的沖放電實現(xiàn)了鋸齒波產(chǎn)生。鋸齒波的振幅為0.9V，周期15KHz。 D6是保護三極管防止C1反電動勢擊穿三極管。</p><p>　　由上述的鋸齒波產(chǎn)生的波形如下：</p><p><b>

17、　　圖3-2</b></p><p>　　3.1.2比較電路及D/A接口：</p><p>　　由鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生的鋸齒波輸入到高速比較器LM311的負輸入端，MAX5441的輸出接到比較器的正輸入端兩者經(jīng)過比較輸出可變的脈寬。比較器的速度是一個非常重要的參數(shù)，LM311響應時間是200ns，這個時間可以快速的響應比較過程。</p><p>　　MAX

18、5441是MAXIM公司生產(chǎn)的高精度十六位串行DA。 其電壓基準是2.5V，則它輸出的電壓為0V—2.5V。DA的分辨率為=0.038mV。如此高的分辨率可產(chǎn)生成精細的電壓值。再經(jīng)過高速比較器與鋸齒波比較可產(chǎn)生精細可變的脈寬。其周期為鋸齒波的周期20kHz。</p><p>　　電路接線如圖3-3所示，MAX5441的CS、SCLK、DIN、CLR接單片機I/O端口、OUT是鋸齒波、PWM是輸出的可變脈寬。<

19、;/p><p>　　整個PWM調(diào)速控制電路產(chǎn)生的脈寬波形如下：</p><p>　　當DA的輸出值不同時與鋸齒波比較輸出脈寬不同波改變了占空比，形成可變脈寬。</p><p><b>　　3.2檢測電路設計</b></p><p>　　轉速檢測是在現(xiàn)場環(huán)境下工作，其抗干擾和測量的準確性是整個系統(tǒng)設計的根本。選擇光電傳感器LT

20、H-301A，它具有抗磁干擾、高可靠性、快速性。傳感器每受光一次產(chǎn)生一個低脈沖。通過計算一個低脈沖周期單片機的時鐘數(shù)，測算出電機轉速。設計中利用了D觸發(fā)器74LS74將脈沖進行二分頻。具體電路如圖3-5所示：</p><p>　　脈沖通過D觸發(fā)器進行二分頻把信號傳給單片機的外部中斷INT0，INT0設置成下降沿觸發(fā)，由于此巧妙的設計，單片機計數(shù)值是電機每轉一圈的計數(shù)值，實現(xiàn)了脈寬計數(shù)，電機的轉速是以轉/每分計，而

21、單片機使用的是12MHz的晶振，每一次計數(shù)是1us，一分鐘為6000000us，則設轉速為n，計數(shù)值為N。則</p><p>　　3.3 電機驅動電路和正反轉向切換電路</p><p>　　電機驅動需要足夠的電流，設計中使用集成H橋L293D，L293D驅動電流1.2A，內(nèi)集成H橋組成推挽電路。L293D接收PWM的電壓組成兩組驅動，這樣可交替使用便于控制電機的旋轉方向。系統(tǒng)中加入LC濾

22、波電路，濾除電路中的紋波，消除電路的擾動隊單片機的干擾，同時加入繼電器控制正反轉為了防止開關切換時電機產(chǎn)生的反電動勢影響系統(tǒng)工作。經(jīng)過一系列的保護措施，可保障電機平穩(wěn)的調(diào)速。設計電路圖如圖3-6所示：</p><p>　　下圖是濾波電路和繼電器切換電路，切換主要是對L293D的不同工作方式的切換，來改變電機的旋轉方向</p><p><b>　　3.4源程序指令</b>

23、;</p><p><b>　　4 軟硬件調(diào)試</b></p><p><b>　　4.1硬件調(diào)試</b></p><p>　　電路連接后查找電源和地線連接是否正確，否則很容易使芯片燒壞，電路經(jīng)仔細查找無誤后再接通電路。首先對鋸齒波發(fā)生電路進行測試是否產(chǎn)生鋸齒波，其次調(diào)節(jié)恒流源電流和LM358正輸入電壓，近而得到大致頻率和

24、幅值。然后再與軟件結合調(diào)試。測試L293D電機驅動電路，它的兩個使能控制端EN分別控制一組橋路，每次只有一組有效。分別檢測是否正常工作。光電傳感器是直接測試電機的部分，要對其特別仔細的檢查，并用示波器取其波形驗證其波形是否為脈沖波。高電平是否達到5V，低電平是否小于1V。通過調(diào)試，無誤后，上電進行下一步軟件調(diào)試。</p><p><b>　　4.2軟件調(diào)試</b></p>&l

25、t;p>　　軟件擔負著數(shù)據(jù)計算，數(shù)據(jù)處理，顯示，設定等多項任務。應分別進行測試。首先應作顯示，有了顯示能更好的調(diào)試其它環(huán)節(jié)。顯示部分使用74HC595驅動數(shù)碼管靜態(tài)顯示，設計中用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，定時顯示刷新。定時刷新采用定時器T1，由單片機的計數(shù)器T0為對外部脈沖觸發(fā)計數(shù)。將得到的計數(shù)值代入公式（n：轉速N：計數(shù)值）計算出轉速，送入顯示電路顯示。將轉速與給定的轉速相減得到轉速偏差量，計算PID參數(shù)通過編程實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。將轉速換算成

26、DA值送入DA中反饋給PWM實現(xiàn)對電機的實時控制。最后編寫按鍵程序。</p><p>　　4.3軟硬件結合調(diào)試</p><p>　　參考題目要求首先通過軟件測試，看是否能達到要求的指標，如若不能則修改硬件電路參數(shù)。或兩者同時調(diào)節(jié)使設計的系統(tǒng)達到設計的要求。</p><p>　　5 測試數(shù)據(jù)及測試結果分析</p><p>　　轉速n 與DA值y

27、 對應表5.1：</p><p>　　對上述測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析作圖如下：</p><p>　　理想曲線是經(jīng)過多次測量取其平均值作商得到理想直線斜率。從而作出圖中的直線。而曲線是經(jīng)過反復的測試的道的數(shù)據(jù)利用描點法作出的。圖5-1所示實際曲線與理想曲線相比差別很大，設計中避免以理想曲線控制，造成不良影響。將DA值和對應的轉速值以數(shù)組的方式存入單片機中。用查表的方法進行反饋控制。使控制系統(tǒng)指標。&

28、lt;/p><p><b>　　6 使用說明</b></p><p>　　數(shù)字式直流電機轉速控制系統(tǒng)外封裝為數(shù)碼顯示、按鍵、電機及檢測裝置。左鍵為設定和退出設定鍵，在設定狀態(tài)時數(shù)碼管跟蹤顯示設定值。在設定時中間鍵為加數(shù)鍵，在加數(shù)時按下設定鍵（左鍵）可實現(xiàn)加速加數(shù)。在設定時右鍵為減數(shù)鍵，同上在減數(shù)的基礎上按下設定鍵（左鍵）可實現(xiàn)加速減數(shù)。退出設定為控制狀態(tài)。在控制狀態(tài)按下右

29、鍵實現(xiàn)反向轉速。其中指示燈上亮下滅時，為控制狀態(tài)，全亮時為控制狀態(tài)。</p><p><b>　　7 結論</b></p><p>　　數(shù)字式直流電機轉速控制系統(tǒng)是由硬件和軟件巧妙相結合做到最大限度的消除誤差完成了基本要求。在反復修改系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能達到了發(fā)揮部分的要求。實現(xiàn)了電機轉速控制的智能化。</p><p>　　PWM技術是直流電機調(diào)速中最

30、為有效的方法。本文對直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)進行分析，詳細介紹系統(tǒng)的工作原理及其實現(xiàn)方法，闡述了利用ARM處理器對直流電機進行調(diào)速控制的方式和實現(xiàn)的方法。綜合應用嵌入式系統(tǒng)技術、PWM脈寬調(diào)制技術，按鍵控制ARM開發(fā)板片內(nèi)外設PWM輸出、引腳輸出。主要的研究結果如下：</p><p>　　(1)介紹了PWM直流電機驅動原理，對使用L298N型直流電機驅動模塊進行分析和闡述；并利用ARM1138開發(fā)板輸出控制L298

31、N驅動電路進而控制兩個直流電機運轉，詳細說明其原理和接線圖；</p><p>　　(2)移植實時嵌入式系統(tǒng)Cortex?-M3內(nèi)核內(nèi)核到 ARM1138開發(fā)板，對針對此開發(fā)板的片內(nèi)外設PWM端口、GPIO端口寫出了驅動程序；調(diào)節(jié)速度轉向及液晶顯示的程序。并且采用比例算法閉環(huán)控制實現(xiàn)了對轉速的最優(yōu)化調(diào)節(jié)，減少誤差；</p><p>　?。?）采用按鍵完成人與機器之間的互動，同時采用液晶顯示雙

32、電機轉速信息；</p><p>　　直流電機的調(diào)速控制是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及許多學科領域。用ARM實現(xiàn)直流電機的PWM調(diào)速控制是其中一個研究熱點。利用現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)可以縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。直流電機作為執(zhí)行元件，在科技的進步中起到了非常重要的作用，而直流電機調(diào)速系統(tǒng)可方便地應用于各種自動化控制領域。</p><p>　　通過本次設計，加強了對ARM1138應用知識的掌握，同

33、時對使用ARM1138實現(xiàn)自動化控制的設計過程有了全面地了解。通過學習控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用ARM1138制雙直流電機，我查閱了大量相關資料，學會了許多知識，培養(yǎng)了我獨立解決問題的能力。同時在對硬件電路設計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，在編寫程序中提高了自己的邏輯思維能力，總之本次設計使我受益匪淺當然在本次設計中還有需要完善的地方，比如在電機驅動電路和ARM開發(fā)板之間加入濾波電路以增強抗干擾能力及保護電機的驅動電路。 </

34、p><p>　　隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調(diào)制的PWM控制方式已成為主流。這種控制方式很容易在單片機控制中實現(xiàn)，從而為直流電動機控制數(shù)字化提供了契機。直流電動機轉速n的表達式為：</p><p>　　式中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，Φ為每極磁通量，K為電動機結構參數(shù)。由式可知，直流電機的轉速控制方法可分

35、為兩類：對勵磁磁通進行控制的勵磁控制法和對電樞電壓進行控制的電樞控制法。其中勵磁控制法在低速時受磁極飽和的限制，在高速時受換向火花和換向器結構強度的限制，并且勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少?，F(xiàn)在，大多數(shù)應用場合都使用電樞控制法。本文介紹的方法就是在勵磁恒定不變的情況下，通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實現(xiàn)直流電機調(diào)速。</p><p>　　8 系統(tǒng)設計原理框圖</p><p>

36、<b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 楊文龍.單片機原理及應用.西安：西安電子科技大學出版社，1993</p><p>　　2 李朝青.單片機原理及接口技術.北京：北京航空航天大學出版社，2003</p><p>　　3 胡漢才.單片機原理及系統(tǒng)設計.北京：清華大學出版社，2003</p><p>　　4