PWM数字直流电机调速毕业设计

合肥师范学院毕业设计本科毕业论文（设计）(2015 届)PWM数字直流电机调速院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 * 指导教师 2014 年 5 月学号：1108441029合肥师范学院毕业设计II目 录目 录 .II摘 要 .1ABSTRACT.21绪论 .31.1 研究背景 .31.2 国内外研究现状 .21.3 研究的目的与意义 .32系统总体设计 .32.1 设计要求 .32.2 系统设计方案 .42.2.1 系统框图 .42.2.2 主控芯片选择 .42.2.3 电机调速模块的选择 .52.2.4PWM 调速方式的选择 .63系统硬件设计 .63.1 最小系统设计 .63.1.1 复位电路 .73.1.2 晶振电路 .83.2 键盘控制电路 .93.3 直流电机电机驱动电路 .104系统软件设计 .114.1 主程序流程图 .114.2 读按键子程序流程图 .12合肥师范学院毕业设计III4.3 按键处理子程序流程图 .134.4 电机控制中断程序流程图 .145系统调试与改进 .155.1 调试与改进 .155.2 运行结果 .16结论与展望 .19致谢 .20参考文献 .21附录 A：系统原理图 .22附录 B：系统 PCB图 .23附录 C：系统源程序 .24合肥师范学院毕业设计1摘 要本文是基于对直流电机 PWM 调速器设计的研究，主要实现对直流电机的控制。本设计主要是实现 PWM 调速器的正转、反转、减速、加速、停止的五大操作。并实现电路的仿真并设计实际电路进行控制。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了 STC89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，驱动模块，实现通过 PWM 波对电动机转速参数的改变和测量；由命令输入模块、H 型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给电路发送 PWM 波形，完成电机正反转控制.是通过 H 型驱动电路，采用 PWM 调速方式，通过改变 PWM 的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。合肥师范学院毕业设计2AbstractThis article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of motor control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acceleration, deceleration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using STC89C51 microcontroller control system as a whole, the core of the control circuit drive module enables the motor speed parameter display and measurement; from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as a command input, single-chip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit to complete positive inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of the motor. Design of the control system hardware structure with a large number of integrated circuit modules, greatly simplifying the hardware circuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved.Key words: STC89C51 microcontroller; PWM speed; positive inversion control合肥师范学院毕业设计31 绪论1.1 研究背景在电气行业中，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。当需要良好的启动，制动性能，并需要大范围内平滑调速时，直流电机是一个很好地选择，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。而且从自动控制的角度看 ，直流调速还是交流调速，电机拖动与基础都是该领域的基础。由模拟电路、运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成的直流电机调速控制系统大多数都为早期的控制系统,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，这些都使直流电机控制技术的发展和应用范围被阻碍。随着单片机及一系列可编程逻辑控制器的发展，许多控制功能及其算法，均可使用软件技术来完成，大大的提高了电机控制的灵活性，快速性，使系统变得更加稳定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。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，模拟电路常常有复杂的电路功能，如果构成控制器，就需要很多电子元件，单片机的使用，很好地改变了这种现状，电路简单，成为了很大的优点，单片机形成的控制器，可以使用软件实现复杂的控制。单片机内部就像计算机一样，有很强的逻辑功能，而且运算速度快，拥有大量的存储单元。单片机的控制系统有较好的灵活性。同时可以适应在系统改变时，可以实现不同功能，实现不断变换参数，使系统更优化。在此期间改变系统的功能，同时可以实现数字化控制，减小模拟信号控制间相互干扰，减小模拟信号产生温漂等不稳定因素。单片机的使用有效的改变了零点漂移问题,无合肥师范学院毕业设计2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 国内外研究现状我国直流电机的研究及制造起始于建国初期，从 50年代后期到 60年代后期，主要是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在建国初期后开始大量生产和应用直流电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产，而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，还有各种逻辑运算电路，同时还有电容耦合而构成的计数器，各种触发器以及分配器。 。至 80年代中期以来，由于直流电机精确模型做了大量研究工作，各种混合式直流电机及驱动器作为产品广泛利用。在国外在一种减小成本等问题上，提出了更为严格的要求，各种电路的成本，效率等一些列工业化需求上，要求更为廉价的产品的出现，但同时需要增强系统的稳定性和产品要求，直流电机还有广泛的应用市场，但是大扭矩直流电机相比直流电动机成本较高，素以直流电机技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流电机。国外在小功率的场合，还使用直流电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。目前,生产直流电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。虽然直流电机已被广泛地应用，但直流电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好直流电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。1.3 研究的目的与意义近年来，科技发展的越来越快，直流电机具有良好的起动特性和调速特性。其中调速平滑，方便，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，能承受很大负载，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，但是随着科学技术的不断发展，应用场合的不断扩大，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电合肥师范学院毕业设计3阻调速、改变电压调速等技术已经不能完成时代所赋予的任务了，PWM 波调速的方法的发现，满足了时代的要求。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路所使用的模拟信号很容易受到干扰，影响系统的稳定，从而很容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及温度漂移等。而用 PWM技术后，避免上述的缺点，不仅简化了电路还实现了通过电力电子器件改变开关频率，提高系统的稳定性还有抗干扰能力。同时还有模拟信号的不稳定性很好地被数字信号所取代，很大程度地节约了成本。随着我国经济和文化事业的发展，科技的进步，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。2 系统总体设计2.1 设计要求本论文所选的直流电机，键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 P2.3与 P2.4其中一口输出与转速相应的 PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、驱动 H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制本设计的目的是以单片机为核心设计出一个单片机控制直流电机的控制系统。主要实现功能：5个按键控制整个电路，对应功能分别是：正转、反转、复位、速度加、速度减；合肥师范学院毕业设计42.2 系统设计方案2.2.1 系统框图硬件主要以单片机为核心，本次设计选用的直流电机，通过软件和硬件的结合改变 PWM波控制直流电机的启停、正转、反转、加速、减速功能。主要通过三大块来设计，包括驱动电路的设计和按键部分是设计。本设计的系统总框图如图 2-1所示电源模块键盘控制模块单片机 电机驱动模块图 2-1 总体设计框图2.2.2 主控芯片选择单片机在中国市场上任然是应用最广泛的一种芯片，其作为微型计算机的一个重要分支，在控制领域里应用及其广泛，故也可称为微控制器。大多数单片机都是由集成电路芯片组成，内部包含着计算机的基本功能部件，如处理器，存储器和I/O接口电路等。通过扩张的外围设备组成一个完整的控制系统。然而单片机往往不能满足控制系统的要求，需要增强单片机的性能，从而市场上出现了各种增强型单片机来满足市场的要求。有增加 ROM来增强速度，有改变工作电压来增强稳定性，有的也增强辅助功能，如增加各种接口等辅助模块来增强其性能。单片机在相对发展时间上看上去，发展时间较长，从最初可以支持简单易学的编程语合肥师范学院毕业设计5言，从汇编到现在的 C语言等其他单片机支持的语言，同时还有各种编程与其相适应的工具，并有大量的知道资料，指引其适合市场发展。同时单片机可以在大多数温度下工作，并且较稳定和一定的抗干扰能力。单片机在工业上，商业上，军工产品上使用在功耗和抗干扰方面，本控制系统的要求都不高，一般的单片机芯片都能满足要求。鉴于以上单片机的有点，STC89C51 单片机具有单片机的优点同时兼容性比较好，因此作为主控芯片，且足够本设计运行，且价格便宜，下载程序方便。2.2.3 电机调速模块的选择方案一：可以采用电阻网络或数字电位器改变直流电机的电压，从而达到调速的目的。但是又具有局限性，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。然而最大的局限性在于大多数电动机的电阻很小，但电流很大；这样分压不仅会降低直流电机的工作效率，而且在大多数情况下很难实现。方案二：继电器的出现，出现了对电动机新的控制方法，对电动机开或