欢迎来到沃文网! | 帮助中心 分享知识,传播智慧!
沃文网
换一换
首页 沃文网 > 资源分类 > DOC文档下载
 

直流伺服电机PWM调速系统设计

  • 资源ID:20105       资源大小:2.33MB        全文页数:66页
  • 资源格式: DOC        下载权限:游客/注册会员/VIP会员    下载费用:10积分 【人民币10元】
快捷注册下载 游客一键下载
会员登录下载
三方登录下载: QQ登录   微博登录  
下载资源需要10积分 【人民币10元】
邮箱/手机:
温馨提示:
支付成功后,系统会自动生成账号(用户名和密码都是您填写的邮箱或者手机号),方便下次登录下载和查询订单;
支付方式: 微信支付    支付宝   
验证码:   换一换

加入VIP,免费下载资源
 
友情提示
2、PDF文件下载后,可能会被浏览器默认打开,此种情况可以点击浏览器菜单,保存网页到桌面,既可以正常下载了。
3、本站不支持迅雷下载,请使用电脑自带的IE浏览器,或者360浏览器、谷歌浏览器下载即可。
4、本站资源下载后的文档和图纸-无水印,预览文档经过压缩,下载后原文更清晰   

直流伺服电机PWM调速系统设计

1目录1、设计背景介绍.............................................................................................................................31.1工程背景...........................................................................................................................31.2直流伺服电机的工作原理及基本结构...........................................................................42.系统方案论证................................................................................................................................42.1系统总方案论证与选择....................................................................................................42.2设计模块方案比较与分析................................................................................................62.2.1电机调速控制模块.............................................................................................62.2.2PWM调速工作方式........................................................................................63硬件部分.......................................................................................................................................73.1单片机的选型....................................................................................................................73.2PWM控制技术................................................................................................................123.3驱动电路..........................................................................................................................123.4PWM控制H桥双极性主电路......................................................................................133.5检测回路..........................................................................................................................153.5.1光电编码盘............................................................................................................163.6键盘及显示电路..............................................................................................................173.6.1键盘/显示芯片8279简介.....................................................................................173.6.3显示器设计............................................................................................................184系统校正设计.............................................................................................................................194.1系统性能分析......................................................................................................................194.1.1性能指标的确定............................................................................................................194.2系统串联校正设计..............................................................................................................244.2.1串联超前校正设计........................................................................................................244.2.2串联迟后校正设计........................................................................................................294.2.3使用串联迟后-超前校正..............................................................................................314.2.4串联校正的分析............................................................................................................324.3复合控制...................................................................................................................................334.4鲁棒控制的设计.......................................................................................................................344.4.1系统模型........................................................................................................................354.4.1.1.无刷直流电机状态空间方程.............................................................................354.4.1.2.系统能控性检验................................................................................................354.4.2速度控制器设计............................................................................................................364.4.2.1.控制对象建模.....................................................................................................364.4.2.2.控制器设计.........................................................................................................374.5控制器设计总结..............................................................................................................425模块的原理与应用......................................................................................................................425.1PWM调脉宽方式.........................................................................................................425.2定时器/计数器..................................................................................................................425.3直流电机调速原理..........................................................................................................435.4PWM基本原理及实现方法............................................................................................435.5PWM在直流调速中的应用............................................................................................445.6桥式可逆PWM变换器...................................................................................................4425.7M/T法测速原理............................................................................................................466软件部分......................................................................................................................................476.1主程序及系统初始化模块...............................................................................................476.2模块程序设计...................................................................................................................486.2.1外部中断0模块设计............................................................................................486.2.2外部中断1模块设计............................................................................................486.2.3内部定时器T0溢出中断设计.............................................................................486.3中断子程序模块..............................................................................................................496.4键盘/显示模块设计..........................................................................................................496.5数字PID流程图..............................................................................................................517.系统功能调试...........................................................................................................................547.1调试软件介绍...............................................................................................................547.2直流电机的调速功能仿真...............................................................................................557.3直流电机的调速演示.......................................................................................................598心得体会......................................................................................................................................599.参考文献......................................................................................................................................6010附录............................................................................................................................................61源程序.....................................................................................................................................613直流伺服电机PWM调速系统设计摘要直流电机因具有良好的启动、制动和调速性能,在各类机电系统中应用广泛。最常用的直流调速技术是脉宽调制PWM直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点。本文旨在通过理论分析和软件设计实现直流电机PWM调速。在设计过程中我们查阅了各类资料,对系统进行分析,分别采取串联校正,复合控制和鲁棒控制设计了控制器。通过理论分析和实际计算,分析了各种调速方式的效果,对各种调制方式的优缺点进行了讨论,并通过仿真实验进行了验证。关键词直流电机PWM单片机校正软件1、设计背景介绍1.1工程背景在电气传动领域中,随着各项技术水平的不断提高,使得传统工艺有了深层次的提高,对人类的生产与生活,产生了深刻且深远的影响,已经与我们息息相关。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能,适宜在大范围内平滑调速,因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且,从控制的角度来看,直流调速还是交流调速,都用到拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,触发精度易受电网电压波动的影响,触发脉冲不对称度较大,调节器中的运算放大器,因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差,模拟器件老化也会引起运算误差,甚至使已经整定好的系统性能变差,这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异,使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成,不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提高了工作效率。因为单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点,用单片机取代模拟电路作为电动机的控制器,使电路更简单,模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路复杂,使用单片机微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件实现可以实现较复杂的控制,单片机有更强的逻辑功能,运算速度和精度高、有大容量的存储单元,因此有能力实现复杂的控制灵活性和适应性强,单片机的控制方式是由4软件完成的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只需修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便无零点漂移,控制精度高、数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题,无论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点,不仅可使很多控制硬件软件化,便于参数的设定和调整,而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理,加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。1.2直流伺服电机的工作原理及基本结构直流电机电枢所受到的电磁转矩为atemICT(1)直流电机电枢绕组中的感应电势为eaCE(2)由aeaaaaaRnCUREUI(3)(1)、(2)、(3)式可知,静态时有teaemeaKKRTKUn(4)本次实验中的控制量为电机转速n,由式(1)可知可以通过改变电枢电压Ua,改变磁通,改变电枢回路电阻Ra来调节电机转速。这里综合实验设备和调节可实现性,我们选择通过PWM脉宽调制型电路,通过产生脉宽可调节的矩形波,改变输入到电机上的电枢电压Ua,从而控制电机转速。2.系统方案论证2.1系统总方案论证与选择方案一直接加直流电源来控制电机的转动速度;根据电动机在其额定电压时,电动机有一定的额定转速。根据其输入电压的减小,其转动速度也相应的减小。从而在传统的改变电动机的转速问题中,就是利用所给电动机的电压的不同,而达到人们所需要的大约速度。方案二以单片机AT89C51为中心通过D/A转换器,将单片机数字量转换为模拟量,从而起到控制电动机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值,同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现电动机的调速。5图1方案二电路组成框图方案三采用AT89C51单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单,只需要完成编码器采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89C51进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度的调节是通过键操作,显示速度。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器.具有4K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器PEROM,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器.AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和电模式、片内振荡器和时钟电路电路框图如图2接口电路键盘显示器PWM控制驱动电路单片机电动机光电编码器图2方案三电路组成框图键盘AT89C51单片机数码显示D/A0832转换电动机6方案分析方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小,此方案操作性差且不安全。方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度,而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。所以,此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都都结合了本专业特点,从控制理论与控制技术出发,充分发挥与应用本学科特点。所以,设计采用方案三。2.2设计模块方案比较与分析2.2.1电机调速控制模块方案一采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难。方案二采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,因此本设计采用方案三。2.2.2PWM调速工作方式方案一双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机两控制口各输出一个控制信号,两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平,另一端输出PWM信号,两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制中,应用相对简单易于实现与操作,所以我们采用了单极性工作制。73硬件部分3.1单片机的选型AT89C52ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机.片内含8KbyTES的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256byteS。的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH由存储单元,功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。3.1.1主要特性1、兼容MCS51指令系统2、8kB可反复擦写大于1000次)FlashROM;3、32个双向I/O口;4、256x8bit内部RAM;5、3个16位可编程定时/计数器中断;6、时钟频率0-24MHz;7、2个串行中断,可编程UART串行通道;8、2个外部中断源,共8个中断源;9、2个读写中断口线,3级加密位;10、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。8图3单片机芯片3.1.2.管脚说明Vcc电源电压GND地P0P0口是一组8位漏极开路型双向1/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时.每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复,在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH由编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1口PI是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,Pl的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL与AT89C51不同之处是,Pl.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(Pl.0/T2)和输入(P1.1/T2EXFLASH编程和程序校验期间,Pl接收低8位地址。9P2口P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电路。对端口P2写“l,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(LLT)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOvxDPTR指令)时,P2送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器、如执行MOVXRI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。FLASH编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL.P3口除了作为一般的I/0口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下表所示端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口〕P3.1TXD(串行输出口〕P3.2INTO(外中断0〕P3.3INTO(外中断lP3.4TO(定时/计数器0P3.5Tl(定时/计数器lP3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)10此外,P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。I/O口的内部结构如图4图4内部结构I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心读引脚时也就是把端口作为外部输入线时首先要通过外部指令把端口锁存器置1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能RST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。I/O存储器EPROM/ROM定时/计数器运算器控制器中断CPU片内振荡器RAM/SFP并行口存储器扩展控制器串行口XTAL11ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节.一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲PROG。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位.可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活,此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。PSEN程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器地址为0000H-FFFFH,EA端必须保持低电平接地).需注怠的是如果加密位LBI被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程时,该引脚加上12V的编程允许电源VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端.XTAL1振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器在AT89C52片内存储器中,80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器(SFE,SFR的地址空间映象如表2所示。并非所有的地址都被定义,从80H-FFH共128个字节只有一部分被定义,还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数位将不确定,而写入的数据也将丢失。不应将数据1写入未定义的单元,由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能,在这种情况下,复位后这些单元数值总是“0”。2y*daG0提速N转返回AT89C5153图26调速软件系统框图保护现场存放计数器T1中的值是否计够20次累加20次的计数值计算实际转速n60M/ZTc给出PID运算参数TI、TD、KP调用转速调节器运算保存运算结果将实际转速转换成十进制,送入显示RAM显示返回中断重新设定定时器/计数器的初值并启动重新设定定时器/计数器的初值并启动NY547.系统功能调试7.1调试软件介绍Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件,采用设计库管理模式,可以进行联网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源--地层和16个机加工层。按照系统功能来划分,Protel99se主要包含6个功能模块电路工程设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统、电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。存储器和特殊功能寄存器的存取、中断功能、灵活的指针KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILC51编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和调试器以及C51编译器组成。其中uVision2集成开发环境中的工程project是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、调试函数语言、变量和存储器。Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件,提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外,Proteus还提供图形显示功能,可以将线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗,尽可能减少仪器对测量结果的影响,Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能,同时可以仿真单片机和周边设备,可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU,并提供周边设备的仿真,例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库,有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件,编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件,在加上一本虚拟实验教程,就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬,就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础,模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程,并进行电路设计、仿真、调试等。当电路设计完成之后,为了减少在电路板上调试时的难度,保证电路设计的正确性,将Keilc51编译生成的*.HEX文件载入Proteus软件,实现电路仿真。557.2直流电机的调速功能仿真5657直流电机的调试功能仿真如下图正转时,电机正转,数码管最高位显示“三”,其它三位先所给定频率,如下图585、减速分5档,波形如下597.3直流电机的调速演示用TX-1C型单片机开发板、无刷直流电机、电调等实现直流电机正转、反转、加速、减速、停转的实验。8心得体会此次课程设计不仅是对前面所学古典控制理论及现代控制理论的一种检验,更是对所学知识的融合,站在新的高度看待新的问题,同时也是对我们运用所学知识的能力的一种提高。本设计在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路,解决了电机驱动的效率问题,在软件上也采用较为合理的系统结构及算法,提高了单片机的使用效率,且更有效的控制电机。本设计的执行总过程如下通过键盘给单片机输入转速值,单片机经过PID算法经软件控制输出脉冲,进入驱动电路,驱动电动机(根据占空比的不同使电机正传或反转来调节转速),

注意事项

本文(直流伺服电机PWM调速系统设计)为本站会员(星星008)主动上传,沃文网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知沃文网(发送邮件至2622162128@qq.com或直接QQ联系客服),我们立即给予删除!

温馨提示:如果因为网速或其他原因下载失败请重新下载,重复下载不扣分。




关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服点击这里,给沃文网发消息,QQ:2622162128 - 联系我们

版权声明:以上文章中所选用的图片及文字来源于网络以及用户投稿,由于未联系到知识产权人或未发现有关知识产权的登记,如有知识产权人并不愿意我们使用,如有侵权请立即联系:2622162128@qq.com ,我们立即下架或删除。

Copyright© 2017-2019 www.wodocx.com ,All Rights Reserved |陕ICP备19002583号  

陕公网安备 61072602000132号     违法和不良信息举报:0916-4228922