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基于单片机的直流伺服电机脉冲宽度调制控制系统的设计.doc
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基于单片机的直流伺服电机脉冲宽度调制控制系统的设计.doc
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基于单片机的直流伺服电机脉冲宽度调制控制系统的
设计
引 言
直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation―简称 PWM)调速产生于
20 世纪 70 年代中期,最早用于自动跟踪天文望远镜,自动记录仪表等的驱动,
后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展,PWM 技术得到了高速发展,
各式各样的脉宽调速控制器,脉宽调速模块也应运而生,许多单片机也都有了
PWM 输出功能。而 MCS―51 系列单片机作为应用最广泛的单片机之一,却没有 PWM
输出功能,本课设采用配合软件的方法实现了 MCS―51 单片机的 PWM 输出调速功
能,这对精度要求不高的场合时非常实用的。
1 系统设计介绍
1.1 系统简介
该课设是基于单片机利用脉冲宽度调制来控制伺服直流电动机的转速以及
转向,是一个典型的控制系统。
脉冲宽度调制主要是改变脉冲信号的占空比来实现控制的。当增加脉冲的占
空比,伺服直流电动机转速增加;反之,其速度降低。所以通过控制脉冲的占空
比可以控制伺服直流电动机的转速。
1.2 系统设计原理
1.2.1 正反转控制原理
该系统中利用开关 K3 控制伺服直流电动机的正反转。当开关闭合时既输入
信号为 1,通过单片机编程处理后,控制电动机的正转;反之,控制电动机的反
转。
实现该功能的子程序为:
LOOP: JB K3,LOOPZF ;高电平逆时针转,低电平顺时针
转
CLR ZF ;针转
LJMP LOOPK1
LOOPZF: SETB ZF
1.2.2 加速控制原理
该系统中利用开关 K1 控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信
号为 1,通过单片机编程处理后,增加控制脉冲的占空比,从而增大了电动机两
侧的电压,使伺服直流电动机加速;反之,电动机保持匀速转动。
实现该功能的子程序为:
LOOPK1: JB K1,LOOPK2 ;K1 按下加速
LCALL DELAY
MOV A,PWML
ADD A,#1 ;调宽值低 4 位加 1
MOV PWML,A
MOV A,PWMH
ADDC A,#0 ;调宽值高 4 位加 1
MOV PWMH,A
JNC LOOPK2 ;最大值时
MOV PWMH,#0FFH
1.2.3 减速控制原理
该系统中利用开关 K2 控制伺服直流电动机的加速。当开关闭合时既输入信
号为 1,通过单片机编程处理后,减少控制脉冲的占空比,从而减小了电动机两
侧的电压,使伺服直流电动机减速;反之,电动机保持匀速转动。
实现该功能的子程序为:
LOOPK2: JB K2,OVER ;K2 按下减速
LCALL DELAY
MOV A,PWML
CLR C
SUBB A,#1 ;调宽值低 4 位减 1
MOV PWML,A
MOV A,PWMH
SUBB A,#0 ;调宽值高 4 位减 1
MOV PWMH,A
JNC OVER
MOV PWMH,#00H ;最小值时
1.3 系统原理图
下图是系统的原理图,图中单片机 AT89C51,其主要功能就是将开关的模拟
信号转化成数字信号,并通过固定程序,通过对信号的识别,输出相应的控制信
号。系统图的最右侧是采用 IGBT 作为开关器件的单相桥式 PWM 逆变电路。以电
动机作为负载,工作时 Q1,Q3 的通断状态互补,Q2,Q4 的通断状态也互补。PWM
逆变电路中间是调制电路,输入信号分别是信号波和载波,输出的信号分别送至
4 个 IGBT 的门极,对其控制。
图―1.3
2 系统硬件设计
2.1 硬件组成
本系统由 PC 机、MCS-51 单片机开发系统、、PWM 脉宽调制控制板以及直流伺
服电动机等组成非门与门 CAPACITOR) 2 个,芯片(AT89C51) 1 个,开关(BUTTON)
3 个,直流伺服电动机(MOTOR))地 GROUND)4 个。
元件表
硬件型号 数量 硬件型号 数量 1N4077 4 MOTOR 1
2SJ50 4 RES 4 74LS04 1 CAPACITOR 2 74LS08 2 GROUND
4 AT89C51 1 VCC 3 BUTTON 3
2.2 主要器件功能介绍
2.2.1 直流伺服电机简介
伺服电机也称执行电机,它具有一种服从控制信号的要求而动作的,在信号
来到之前,转子静止不动;信号来到之后,转子立即转动;当信号小时,转子能
即使自行停转,由于这种“伺服”性能,因此而得名。按照在自动控制系统中的
功用所要求,伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控制
性好是指寻好消失以后,能立即自行停转;稳定性高是指转速随转矩的增加而均
匀下,速应性强是指反应快,灵敏。直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执
行元件,对它的要求是要有下垂的机械特性、线性的调节特性和对控制信号能作
出快速反应。该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为 45SY01 型,其转
速 n 的计算公式如下
n E/KΦ Ua-IaRa /KΦ
式中 n 为转速;Φ为磁通;E 为电枢反电势;Ua 为外加电压;IaRa 为电枢电
流和电阻。直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较直流伺服电机
的工作原理和普通直流电机相同。只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通,
当电枢绕组中通过电流时,这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机
投入工作。这两个绕组其中的一个断电时,电动机立即停转,它不象交流伺服电
动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。
图―2.2.2
计算公式:占空比 ton/T
定宽调频法
调宽调频法
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