基于stc89c52單片機的pwm直流電機脈寬調速系統設計-wenkub

　

【正文】 機控制段選和位選，所謂的位選是選中其中一個數碼管，然后利用單片機輸出段碼，需要顯示的數字就能顯示在這位數碼管上了，延時一段遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XXII 時間后，再選中另一個數碼管，再輸出對應的段碼，高速交替。動態顯示應用非常廣泛是一種最常見的多位顯示方法。 其轉速 : Vr=(N/P)/T 電動機測速電路采用光電編碼盤和紅外光電對管組成，紅外光電對管其原理如下圖所示： 圖 39 光電碼盤編碼原理 通過電動機測速電路，單片機可以實時的判斷電動機電路是否正常工作，若測得電動機轉速過低或者為零，則證明電動機堵轉或者異常，此時單片機可以控制電動機停轉來保護電動機并發出報警，在數碼管上顯示。當導通時，直流供電被加到負載上，當關斷時，供電被斷開的時候。 PWM 的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。 圖 37 H橋控制電動機正轉 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XIX PWM 調速原理 脈沖寬度調制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。判斷不同三極管對的導通與否，然后判斷電流的流向，根據電流的流向控制電動機的轉向。因為它的形狀和字母H非常相似，因此叫作“ H橋驅動電路”。圖中兩個光電耦合器起隔離作用，因為電動機驅動電壓為 12V，單片機的工作電壓為 5V，若三極 管的基極直接與單片機相連，會燒壞單片機，所以必加一個光電耦合器，隔離兩邊的電壓，由于光電耦合器的傳輸速度最高可以達到 70KHz，所以光電耦合器可以滿足隔離的要求，同時也可滿足脈沖信號傳遞速度較快的要求。但轉速控制有時比較復雜，占用的機時較長，因而轉速的采樣頻率又不能很高。當勵磁磁通額定不變時，調節電樞繞組電壓、轉子轉速與電磁轉速的機械特性如圖所示為一組平行線，所以電樞端電壓和轉速呈線性關系 [11]。電氣部分有電樞繞組和勵磁繞組，機械部分只有轉子運動機構 [10]。如果系統在上電時得不到有效的復位，則程序計數器 PC將得不到一個合適的初值，因此， CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執行程序。 晶振結合單片機內部的電路，產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機的一切指令的執行都是建立在這個基礎上的，晶振的提供的時鐘頻率越高，那單片機的運行遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XV 速度也就越快。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 片上 Flash 允許程序存儲器在系統可編程，亦適于 常規編程器。具體電路設計如圖 34： 本系統的單片機采用的是 89C52單片機，此單片機的最小 系統如下圖 32所示。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XII 隔離電路方案論證設計 6N137 光耦隔離 隔離是整個設計的關鍵環節，如果隔離沒有做好，將導致強弱電互相串擾，強電串到弱電的控制 單元時會導致整個控制單元燒毀。當 12?? 時， ? 為正，電動機正轉；當 12?? 時， ? 為負，電動機負轉；當 12?? 時， ? =0，電動機停止。當2on Tt ?，平均電壓為負值，電機反轉。這時， + sU 加在電樞 AB 兩端，AB SUU? ，電樞電流 di 沿回路 1流通；當 ont t T?? 時， b1U 和 b4U 變為負值， 1VT 和 4VT截止； b2U 和 b3U 變成正值，但是 2VT 和 3VT 并不能立即導通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下， di 沿回路 2經二極管 2VD 、 3VD 續流，在 2VD 和 3VD 上的壓降使 2VT 、3VT 集電極和發射極承受反壓，這時 AB SUU?? ， ABU 在一個周期內正負相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征 [2]。本設計同樣采用選用雙極式 H型 PWM 變換器。同時利用 STC52 產生的 PWM經過邏 輯延遲電路后加載到以 9013和 9012 構成的 H橋主干電路上實現對直流電機的控制和調速。該方案總體上是具有可行性，但是 L298 的驅動電壓和 電流較小，不利于工業生產應用，無法滿足工業生產實踐中大電壓、大電流的直流電機調速。這種專用 PWM 集成芯片可以減輕單片機的負擔，工作更可靠，但其價格相對較高，難于控制工業成本不宜采用。脈寬調速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速，因此， PWM 又被稱為“開關驅動裝置”。隨著電力電子的發展，出現了許多新的電樞電壓控制方法 。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受 到換向火花和換向器結構強度的限制 [4]，而且由于勵磁線圈電感較大，動態響應較差 [5]。 直流電機調速原理 直流電動機根據勵磁方式不同，直流電動機分為自勵和他勵兩種類型。通過微處理器控制，可使電機的性能有很大的提高。為微處理器普遍用于控制電機提供了可能，利用微處理器控制電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發揮，使電機的性能更符合工業生產使用要求 [2]，還促進了電機生產商研發出各種如步進電機、無刷直流電機、開關磁阻電動機等便于控制且實用的新型電機，使電機的發展出現了新的變化。所以，全數字直流調速控制精度、可靠性和穩定性比模擬直流調速系統大大提高。直流調速技術不斷發展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代 [1]。 20世紀 70 年代以來， 直流電機傳動經歷了重大的技術、裝備變革。 采用微處理器控制，使整個調速系統的數字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調速系統在結構上簡單化，可靠性提高，操作維護變得簡捷，電機穩態運行時轉速精度等方面達到較高水平。從上世紀 80年代中后期起，世界各大電氣公司如 ABB、通用、西屋、西門子等都在競相開發數字式調速傳動裝置，經過二十幾年的發展，當前直流調速已發展到一個很高的技術水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術；控制方式采用電源換相、相位控制 [1]。 switching frequency, current continuous, harmonic, motor loss and fever are small。系統以廉價的 STC89C52單片機為控制核心，以直流電機為控制對象。從系統的角度出發，對電路進行總體方案論證設計，確定電路各個的功能模塊之間的功能銜接和接口設置，詳細分析了各個模塊的方案論證和參數設置。 good lowspeed performance, highspeed stability, and thus a wide speed range。特別是采用了微處理器及其他先 進電力電子技術，使數字式直流調速裝置在精度的準確性、控制性能的優良性和抗干擾的性能有很大的提高和發展，在國內外得到廣泛的應用。由于微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業過程及設備控制中 得到日益廣泛的應用。整流器的更新換代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進 [1]。 早期直流傳動的控制系統采用模擬分離器件構成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存 在溫漂、零漂電壓，構成系統的器件較多，使得模擬直流傳動系統的控制精度及可靠性較低 [2]。所以，直流傳動控制采用微處理器實現全數字化，使直流調速系統進入一個嶄新的階段。 對于簡單的微處理器控制電機，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關元器件，使電路開通或關斷就可實現對電機的控制。目前相比直流電機和交流電機他們各有所長，如直流電機調遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 VI 速性能好，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結構都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網上 運行時，它們的速度不能方便而經濟地調節 [2]。不同勵磁方式的直流電動機機 械特性曲線有所不同。所以在工業生產過程中常用的方法是電樞控制法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器進行相控調壓；脈寬調制 (PWM)調壓等等。 圖 12 電樞電壓占空比和平均電壓的關系圖 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 VIII 根據圖 12，如果電機始終接通電源時，電機轉 速最大為 maxV ，占空比為 D=1t /T，則電機的平均速度為： D maxV =V *D ，可見只要改變占空比 D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調速的目的 [7]。 方案二：采用 STC52 單片機、功率集成電路芯片 L298 構成直流調速裝置。 方案三：整個系統利用 52單片機的定時器產生 1K左右的 PWM 脈沖，通過快速光耦 6N137 實現控制單元與驅動單元的強弱電隔離，采用 4個 9013 和 2個 9012 構成的 H橋電路實現對直流電機的調速，用光電編碼盤完成測速功能。本系統的控制部分均為 5V的電壓，采用 6N137 光耦隔離直流電機對單片機的信號干擾。如圖 所示，四個電力晶體管 IGBT 和四個續流 二級管 FR307 構成了 H 橋驅動電路。 圖 31 IGBT H 橋驅動電路 ABU 在 一個周期內具有正負相間的脈沖波形。如果正負脈沖相等時電樞電壓為零，電機停轉。 雙極式控制的電壓平衡方程式 [3]： dSd diU Ri L Edt? ? ? （ 0 ontt?? ） dSd diU R i L Edt? ? ? ? （ ont t T?? ） 電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是： dsUU?? 。因為系統的主電路電壓均為高電壓、大電流，而控制單元為弱電壓，弱電流，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統抗干擾措施，綜合考慮決定采用快速關斷型驅動芯片 6N137。其中 P0口接數碼管段選， P2 口高四位接數碼管位選， 接電動機的 PWM 調速端， 讀取光電測速電路送給單片機的脈沖，進行電動機轉速的測量， P1 口接按鍵。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統 可編程 Flash，使得 STC 89C52RC 為眾多嵌入式控制應用系統提 供高靈活、有效的解決方案。 P1 口 只做 I/O 口使用：其內部有上拉電阻。本系統主要采用的是 12M 晶振，配合 2 個 30pF 的電容構成晶體振蕩電路。 圖 33電動機驅動電路 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XVI 直流電機驅動原理 直流電機的物理模型如圖 34所示： 圖 34 電機物理模型 電機定子有兩個磁極，磁極上形成的勵磁磁場極性如圖所示，轉子上有電樞、換向器和電刷，固定于 定子的電刷位于兩個磁極間的中心線上，并與外部電源相通。 直流電機 PWM 調速控制原理 直流電機改變電壓調速就是改變電樞繞組端電壓的調速。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XVII 圖 35改變電樞電壓調速的基本特性 在直流調速系統中，電樞電流的時間常數較小，電流內環必須有足夠高的采樣頻率，而電流調節算法一般比較簡單，采用較高的采樣頻率是可能的。如果所選擇的采樣頻率不夠高，按連續系統設計誤差較大時，就應按照離散控制系統來設計轉速調節器。 當單片機給 口低電平時，光耦不導通，所以 Q5 的基極是低電平不導通，當單片機給 口高電平時，光電耦合器導通，此時光電耦合器的右邊的電壓被拉高，三極管 Q5導通， Q7和 Q8 也導通，此時電動機反轉。 4個三極管組成這個電動機驅動電路。 圖 36 H橋結構圖 對角線 上的一對三極管導通則電動機運轉。主要用單片機等處理器的數字量來對模擬量進行控制的一種技術，廣泛應用于通信，測量，電動機速度變換等工業控制領域 [13]。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進行編碼。 遼寧石油化工大學繼續教育學院論文 XXI 數碼管顯示電路 圖 310 數碼管顯示電路 . 實時顯示狀態 顯示電路為四位數碼管，用來顯示實時電動機轉速。 用數碼管顯示測得的數據，數碼管有 8 段而每段必需占用一個單片機的 IO口，所以一位數碼管必須占 8個單片機 IO 口，本次設計采用 4位數碼管，則需要 12 個I/O 口，而 89C52 單片機的 I/O 口只有 32 個。 在動態顯示程序中，各個位的延時時間長短是非常重要的，如果延時時間長，則會出現閃爍現象；如果延時時間太短，則會出現顯示發暗且有 重影。當然在同時供給