直流电机转速测量与控制.doc

苏州大学 城市轨道交通学院  课题名称：直流电机转速控制与测量 学 院： 城市轨道交通学院 班 级： 10级通信工程 学 号： 1042401045 姓 名： 袁 圆 其他成员： 李吟乔 王佳毓 苏朗 直流电机转速测量与控制 设计要求 1) 电机转速比例测量，并数码管显示； 2) 电机转速由按键设定，步长为1rad/min。 直流电机转速测量与PWM控制的基本原理: 直流电机的工作原理为：直流电机的磁极N,S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面固定着线圈abcd。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用，产生旋转。 根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。 由于方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，因此我们通过单片机的控制电路改变占空比，从而改变有效电压，以此控制电机的转速。即采用PWM（脉宽调制）方法实现调速。 设计方案 程序应用模块化进行设计，主要有初始化模块、显示模块、读键模块、数制转换模块、双字节除法模块、中断模块和控制调节模块。初始化模块：8155工作方式、T0和T1工作方式、标志位状态、所用单元初值、中断设置以及初始显示等。显示模块：设定值和实测值的数值与字符动态显示。读键模块：从I/O口依据某位数码管亮时读入小按键是否有效，然后根据四个小键盘的不同功能进行相应的处理，只要设定值一改变立刻显示。加1键和减1键要有连加连减功能。数制转换模块：将二进制转换为十进制。外部中断模块：将转1圈的时间通过双字节除法程序求出即时转速。定时中断模块：PWM输出波形形成。控制调节模块：通过设定值和实测值的比较来改变脉冲波的占空比，该数据的调节分为简单比例调节PP和比例积分调节PI。调节公式分别为：YK=YK1+KP*EKYK=YK1+KP*EK+KI*EK2YK：要输出的数据YK1：上次输出的数据EK：设定值和实测值的差值EK1：上次的EK值EK2：EK-EK1的差值KP：比例系数（设KP=1~2）KI：积分系数（设KI=1~2） 硬件设计 我们将整个模块分为以下几个部分：控制部分，驱动电路和负载的续流电路。 4.1控制部分 图4.1 系统方框图 控制电路主要由单片机来控制，编写一段程序使单片机发出的PWM脉冲来实现对驱动的控制。新一代的单片机具有PWM功能。通过对单片机的初始化设置，使其自动发出PWM脉冲波，只有在改变占空比的时候CPU才干预。 4.2驱动电路的设计 开关驱动是利用大功率晶体管的开关作用。将恒定的直流电源电压转换为一定的方波电压加在电机电枢上，与线性方式不同，在这种驱动方式下，驱动器的功率管工作在开关状态，当器件导通时，器件的电流很大但是压降很小；器件关断时，压降很大但是电流很小。因此驱动器的功率消耗少，发热量少，效率较高。 通过控制开关的频率和脉宽，可以对电机的转向进行控制。 我们在本次设计中采用的PWM脉冲调制方式正是一种开关驱动方式，是直流电机最重要也是最常见的驱动方式。采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲及在具有惯性环节上时，其效果基本相同，这正是PWM控制技术的理论基础。PWM驱动方式易与处理器接口，使用简单，最常见的就是H桥电路。集成H桥芯片很很多型号，我们使用的是L298的芯片（如图4.2）。 图4.2 L298引脚及外形图 表4.1 L298引脚符号及功能 一般利用H桥电路来实现调速。H桥驱动电路： 图4.3 H桥驱动电路 图4.3中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.3及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。 图4.4 H桥电路驱动电机顺时针转动 图4.5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向