综合设计报告
单 位: 自 动 化 学 院 学生姓名: 专 班
业: 测控技术和仪器 级: 0820801
学 号: 指导老师:
成 绩: 设计时间: 2011 年 12 月 重庆邮电大学自动化学院制
一、题目 直流电机调速和控制系统设计。
二、技术要求 设计直流电机调速和控制系统,要求如下:
1、学习直流电机调速和控制的基本原理; 2、了解直流电机速度脉冲检测原理;
3、利用 51 单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路; 4、使用 C语言编写控制程序,通过实时串口能够完成和上位机的通信; 5、选择合适控制平台,绘制系统的组建结构图,给出完整的设计流程图 6、要求电机能实现正反转控制; 7、系统具有实时显示电机速度功能; 8、电机的设定速度由电位器输入;
9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。
三、给定条件
1、《直流电机驱动原理》 ,《单片机原理及接口技术》等参考资料;
2、电阻、电容等各种分离元件、 IC、直流电机、电源等; 3、STC12C5A60S单2 片机、 LM298以及 PC机;
四、设计
1. 确定总体方案;
2. 画出系统结构图;
3. 选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路,设计硬件电路; 4. 设计串口及通信程序,完成和上位机的通信; 5. 画出程序流程图并编写调试代码,完成报告;
直流电机调速和控制
摘要: 当今社会,电动机作为最主要的机电能量转换装置,其使用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生
活。无论 是在工农业生产,交通运输,国防,航空航天,医疗卫生,商务和办公设备中,还是在日常生活的家用电器和消费电子产品(如电 冰箱,空调, DVD 等)中,都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示,在所有动力资源中,百分之九十以上来自电动机。同 样,我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机和人的生活息息相关,密不可分。电气时代,电动机的调速控制一般 采用模拟法、 PID 控制等,对电动机的简单控制使用比较多。简单控制是指对电动机进行启动,制动,正反转控制和顺序控制。这 类控制可通过继电器,光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制,是指对电动机的转速,转角,转矩,电 压,电流,功率等物理量进行控制。
本电机控制系统基于 51 内核的单片机设计, 采用 LM298 直流电机驱动器, 利用 PWM 脉宽调制控制电机, 并通过光耦管测速, 经单片机 I/O 口定时采样,最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制,其中电机的设定速度由电位器经 A/D 通过输入, 系统的状显示和控制由上位机实现。经过设计和调试,本控制系统能实现电机转速较小误差的控制,系统具有上位机显示转速和控 制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际使用意义。
关键字: 直流电机、反馈控制、 51 内核、 PWM 脉宽调制、 LM298 一、 系统原理及功能概述
1、系统设计原理
本电机控制系统采用基于 51 内核的单片机设计,主要用于电机的测速和转速控制,硬件方面设计有可调电源模块,串口 电路模块、电机测速模块、速度脉冲信号调理电路模块、直流电机驱动模块等电路;软件方面采用基于 C 语言的编程语言,能
实现系统和上位机的通信,并实时显示电机的转速和控制电机的运行状态,如开启、停止、正反转等。
单片机选用了 51 升级系列的 STC12c5a60s2 作为主控制器,该芯片完全兼容之前较低版本的所有 51 指令,同时它还自带
2路 PWM 控制器、 2个定时器、 2个串行口支持独立的波特率发生器、 3路可编程时钟输出、 8路 10位 AD 转换器、一个 SPI
接口等,能非常方便的满足本次电机控制的需求,其 PWM 端口用于输出一定频率且脉宽可调的 PWM 波用于控制电机转速, 单片机自带的 A/D 端口作为设定速度的模拟信号输入口,定时器用于串口通信和速度的定时采样以及上位再利用 TLP521 光耦合器和整流二极管设计的驱动电路能机的定时显示等。 系统的电机驱动单元选择了 LM298N 大功率驱动芯片, 隔离和控制,能提高控实现电器
制效率和精度极大减少了挠动干扰,而且可以实现电机的正反装和刹车功能。
系统测速模块基于槽型光耦 GK105 设计, 将电机的转速转换成不同频率的脉冲在经过基于 LM324 的电压比较
器和
信号,
I/O 口的脉冲实现速度的测量。
74HC573 锁存器进行信号波形的整形,最后通过检测单片机的
1.2 直流电机调速原理 直流电机转速 n 的表达式为 : U IR n
K 式中 :U- 电枢端电压; I- 电枢电流; R- 电枢电
路总电阻; 制方法有三种,主要以调压调速为主。
Φ -每极磁通量; K-和电机结构有关的常数,因此直流电机转速本控制器主要通过脉宽调制
n 的
控
PWM来控制电动机电枢电压,实现调速。调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽
调频。 本系统采用了定频调脉宽方式的 PWM控 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 制, 实现上比较方便。 对直流电机转速的控制即可采用开
, 也可采用闭环控制。和开环控制相比 , 速度控制闭环系统的机械特性有以
环控制 闭环系统的机械特性和开环系
下优越性:
统机械特性相比 落和理想空载转速之; 当要求的静差率相同时 , 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控
, 其性能大大提高 ; 理想空载转速相同时 , 闭环系统的静差率(额定负载时
制方案如 电机转速降 比)要小得多 图 1 所示。
转速设定 值
偏
差
调节器
转速输出
直流电机PWM调速与控制设计报告
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