电机调速课程的设计.docx

1 引言嵌入式微控制器又称单片机。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM、PEPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时P计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出、APD、DPA、Flash RAM、E2PROM 等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本，其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。ARM是近年来发展非常迅速的处理器，有很好的应用前景。将其应用于直流电机的调速控制，有极大的使用价值。以脉宽调制技术为代表的电机数字驱动技术也在迅猛发展，将计算机应用于这一领域正好可以发挥其在数字控制方面的优势。本课题研究了一种直流电机转速的控制系统。基本思想就是利用ARM开发板具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期(频率)的前提下，通过软件的方法调整PWM的占空比，控制电机输入电压，进而控制电机转速。本方法所要求的ARM开发板必须具有PWM端口，另外，ARM芯片的工作速度尽量快。在收到上位机指令后调整输出PWM占空比。脉冲宽度调制是直流电机调速中最为有效的方法，即给直流电机输入高速的开关脉冲信号，通过改变脉冲信号开关的比例，达到速度控制的效果。系统中使用的是前一种固定频率下改变占空比的PWM方法，在整个过程中改变的仅仅是电压信号的占空比，至于其它参数，尤其是脉冲频率并没有改变，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率。电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。PWM采用软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，实现了硬件设计软件化。PWM技术是降低直流电机功耗的一种好方法，它使驱动芯片和电机的发热减少，从而电机也可以用得更久。并且较好地实现了对直流电机的速度控制，简化了电路，并具有精度高、快速响应性好、稳定性高等优点，具有很好的应用前景。2 总体方案设计：数字式直流电机转速控制系统设计有控制器、PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出五部分。PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出都是由控制器控制实施的。总体框图1-1所示：图1-1电机转速是通过光电传感器检测产生触发脉冲经过触发器分频触发单片机中断计数，经定时计数得到标准计数值，由单片机对数据的计算、处理，建立了时间和脉冲的关系式，得到每分中电机的转速。将转速与给定转速作差得到偏差量，再由PID进行调节，使转速趋近给定转速实现控制。电机的速控是通过PWM方式控制的。PWM是由三角波发生电路、比较器、反馈电路。反馈是由单片机输入偏差量给高速的DA，由DA输出反馈值作用PWM中达到闭环反馈控制。电机是由集成H桥芯片驱动，为了防止电压的扰动控制中增，加了型滤波电路平直电流。电机正反转是由电压的正负方向控制的。当切换方向时电路中型滤波电路的电感会产生反电动势会影响系统供电，严重会使系统无法正常工作。所以切换使用了继电器作为切换开关。按键功能可以设定转速，控制电机的转动的正反方向。显示电路是用了高亮数码管显示。系统是以高精度和实时性相协调的原则的基础上设计的。2.1方案论证与比较：2.1 PWM电路选择直流电机是利用PWM进行调速，PWM可以由软件编程实现，也可由硬件电路实现，但在设计要求精度和实时性都比较高的情况下，单独使用二者之一是不能完全实现的。因此我们选择了两种典型电路来实现PWM，方案如下：2.1.1由单片机直接控制的PWM由图2-1所示可以看到是利用单片机给出比较脉冲，可实现PWM脉宽控制。这样占用了单片机资源，更重要的是占用了它的大量时间作计算，这样就失去了控制的实时性。2.1.2 利用高速的DA实现的PWM图2-2用MAX5441作为控制脉宽，MAX5441是高速的十六位DA，大大增加了单片机的工作效率，实现了可调脉宽的高精度和实时性。因此我们选择了图2-2的电路作为PWM最终电路。2.2检测装置电路的选择与实现方案作为脉冲检测的传感器多种多样，究竟选择什么样的传感器需要考虑诸多因素，我们在设计的方案中测试了几类型的传感器：霍尔传感器、红外传感器、光电传感器。2. 2 .1霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应原理产生的，霍尔德输入端是以磁感应强度B来度量的，当磁感应强度到达一定程度时，霍尔内部触发器翻转。霍尔得输出电平也随之翻转。我们用的是A3144。如图2-3所示A3144外接电路图，其中输出OUT端须接上拉电阻。OUT接单片机