基于PWM的直流电动机运动控制设计.docx

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1、课程设计报告（2022-2023学年第一学期）课程：运动控制系统实践题目：基于PWM的直流电动机运动控制设计专业班级：机器人202目录一、引言31、研究方法及调速原理32、直流调速系统实现方式43、控制程序的设计5二、系统硬件电路的设计51、系统总体设计框图及单片机系统的设计52, STC89C51单片机简介62.1. STC89C5I单片机的组成62.2. CPU及部分部件的作用和功能6三、PWM信号发生电路设计71、PWM的基本原理72、系统的硬件电路设计与分析73、H桥的驱动电路设计方案8四、主电路设计9I、液晶电路92.3. 1.CD1602性能参数IO2.4. 1.CD1602的显示

2、与控制命令122、按健电路14五、调试与存在的问题15I、硬件调试152、软件调试15总结16一、一盲1.研究方法及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腋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卜公式：n=UCc-TjCrCc(公式1-1)其中：U-电压：号,一励磁绕组电阻：d一磁通(Wb)：CC-电势常数：Cr一转矩常量：。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，对丁磁场控制法,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

3、调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构直潦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,这两部分间存在若一定大小的气隙,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他极,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，如图1-1所示：图1-1出流电机的工作原理图电枢控制即在励磁电压不变的情况1.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Sft电机电抠上电压的“占空比”来改变平均电

4、压的大小，从而控制电动机的转速。根据上图，当电动机始终接通电源时，电机转速最大为Vj,占空比为D=1.t,则电机的平均速度为：VD=VgJD,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。2、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1.不变，只改变3使周期也随之改变。(2)调宽调频法：保持(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1.和t

5、。(1)、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，聘会引起振荡，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。3、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P1.I的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整P1.I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I、系统总体设计框图及单片机系统的设计本系统采用STC89C5I控制输出数据，由堆片机IO口产生PWM信号，送到直流电机，直流电机

6、通过测速电路将实时转速送回单片机，进行转速显示，从而实现时电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。2、STC89C5I单片机筒介2.1. STC89C51堆片机的组成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.我基本组成如下图所示：图2-2单片机的组成2.2. CPU及部分部件的作用和功能中央处理器CPU：它是堆片机的核心，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O

7、OH7FH“通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RA内部程序存储器：STC89C5I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：STC89C5I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：该芯片共仃5个中断源，即外部中断2个,定时/计数中断2个和出行中断1个.三、PwM信号发生电路设计1、PWM的基本原理调速采用PWM(PU1.SeWidIhMOdUIaIion)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

8、字输出来对模拟电路进行控制的种非常有效的技术，广泛应用在从测址、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。2,系统的硬件电路设计与分析电动机PWM驱动模块的电路采用H桥驱动，设计与实现具体电路见下图。本电路采用的是基于PWM原理的出动电路。图3-1PWM电路PWM电路由复合体管组成，两个输入端裔低电平控制晶体管是否导通或截止。NPN的三极管高电平输入时导通，PNP的三极管低电平输入时导通，当Q1.和Q2都导通时,Q3和Q6被止,Q4和Q5导通,电机两端都是GND,电机是不转的，当Q1.和Q2都截止时，Q3和Q6导通，Q4和Q5截止，电机两端都是

9、VCC,电机也是不转的，那么，当Q1.导通，Q2截止时，Q4和Q6导通，电机右边是电源，左边是地，电机逆时针转动，此时保持Q2截止，PWM控制QI的导通截止,就可以控制电机的速度，同理，当Q1.截止，Q2导通时，Q3和Q5导通，电机的左边是电源，右边是地，电机顺时针转动，此时保持Q1.截止，PWM控制Q2的导通截止就可以控制电机的转速。4个二极管在电路中的作用是防止晶体管产生不当反向电压，以及电机两端电流和晶体管上的电流过大保护。3、H桥的驱动电路设计方案H桥式电动机驱动电路包括4个三极管和个电机,因为它的形状与字母H相似，故因此而得名,如下图所示，要使电动机成功运转，须对对角线上的一对三极管

10、通电。据不同的三极管对的导通通电的情况，电潦会从右至左或相反方向流过电机，从而改变电机的转动方向。图3-2H桥式驱动电路因此要想使电动机运转，必须使对角线上两个三极管通电。例如，当Q2管与Q3管导通时，电流从电源正极经Q2从左到右通过电机，再经Q3到电源的负极。同样Q1.与Q4亦是如此，由电流箭头可与，驱动电动机将顺时针转动。图3-3电动机运转四、主电路设计1、液晶电路液晶部分的电路图如下图所示:图41液晶部分电路图在本课程设计中，波形的显示是采用简单的液晶1.CD1602显示屏。1.CD(1.iquidCrysta1.Disp1.ay)是液晶显示潺英文名称的缩写，液晶显示器是i种被动式的显示

11、器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。液晶显示器具有功耗低、抗干扰能力强等优点。2.1. 1.CD1602性能参数1.CD1602的主要技术参数及应用配置.如表4-1所示。显示容量：62个字符芯片工作电汽：4.5-5.5V工作电流：2.()mA(5.OV)模块一佳工作电压:5.0V字符尺寸：2.954.35min4-1芯片的主要技术参数及应用配置1.CDI602共有16个引脚，各引脚功能如表4-2所示。详细说明如下：（I）VSS：电源地:（2）VDD：电源正极;（3）V1.：液晶显示偏压信号,对比度调整液,接地时最高，接正电源

12、最低，可接10K,电位器调整：（4） RS：寄存器选择，高电平选择数据寄存器，低电平选择指令寄存器：（5） RAV：读/写选择端，高电平读操作，低电平写操作：（6） E使能信号，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令：（7） B1.A背光源正极：B1.K背光源负极：（8） D0D7数据端口.编号符号引脚说明IVSS电源地2VDD电源正极3V1.液晶显示偏压信号4RS数据,命令选择端（FV1.）5RAV读，写选择端（H4.）6E使能信号7DODataI/O8D1.DataI,09D2DataI/OIOD3DataI,0HD4Data1.012D5DataI/O13D6DataPO14D7

13、DataRO15B1.A背光源正16B1.K背光源负发4-21.CD1602管脚功能及说明1.CD1602的主要技术参数如表4-3所示。I1.指令码功能00111000设置162显示，5”点阵,8位数据接口表4-31.CDI)2A主要技术参数1.CD1602显示模式如表4-4所示。指令因功能D=I开显示D=O关显示0000IDCBC=I显示光标C=O不显示光标B=I光标闪烁B=O光标不闪烁N=I当该，写一个字符后,地址指针加1.且光标加1：N=O当读，写一个字符后，地址指针减1.且光000001NS标战1；S=I当写一个字符，整屏显示左移(N=I)或者右移(N=O),以得到光标不移动而整屏移动

14、的效果：$=0当写一个字符.整屏显示不移动.表4-41.CD1602显示4式2.2. 1.CD1602的显示与控制命令1.CD1.602液晶模块内部的字符发生内存(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是O1.OooOoIB(41H),显示时模块把地址4IH中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。1.CD1.602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明：I为i电平、。为低电平)指令1

15、：消显示，指令码OIH,光标更位到地址OoH位置：指令2：光标复位，光标返回到地址OoH：指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效；指令4：显示开关控制。D：控制掩体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示美显示C控制光标的开与关，高电平表示有游标，低电平表示无游标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁：指令5：光标或显示移位元S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标;指令6：功能设置命令D1.：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示F：低电平时显示5X7的点阵字符,高电平时显示5X10的点阵字符；指令7：字符发生器RAM地址设置：