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1、. 我们打败了敌人。 我们把敌人打败了。 直流电机调速系统的设计直流电机调速系统的设计 课程设计说明书课程设计说明书 系（部）： 信息工程系 班 级： 电气工程及其自动化 学生姓名： 唐犇 学号 080819406 指导教师： 饶中洋 时间：时间： 2010 年年 11 月月 15 日日 到到 2010 年年 11 月月 26 日日 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 题题 目目 直流电机调速系统的设计直流电机调速系统的设计 系系 (部部) 信息工程系信息工程系 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级级 082 学生姓名学生姓名 唐犇唐犇 学学 号号 08081940

2、6 11 月月 15 日至日至 11 月月 26 日日 共共 2 周周 指导教师指导教师(签字签字) 系系 主主 任任(签字签字) 年年 月月 日日 一、设计内容及要求一、设计内容及要求 利用改变电机端电压调节电机转速，并实时显示电机转速。改 变端电压可用 DA 转换或 PWM 实现。 二、设计原始资料二、设计原始资料 单片机原理及应用教程 范立南 2006 年 1 月 单片机原理及应用教程 刘瑞新 2003 年 07 月 指导老师成绩指导老师成绩答辩小组成绩答辩小组成绩总成绩总成绩 目录目录 摘要摘要.1.1 Abstract.2Abstract.2 1 1 直流电机直流电机.3.3 1.1

3、 直流电机的结构.3.3 1.2 直流电机工作原理.3.3 1.3 直流电机主要技术参数.3.3 1.4 直流电机调速技术指标.4.4 2 2 方案论证方案论证.5.5 2.1 直流电机控制原理.5.5 2.2 直流电机调速方案的设计.5.5 2.3 直流电机测速方案的设计.7.7 3 3 程序与电路设计程序与电路设计.8.8 3.1 主程序设计.8.8 3.2 数码显数设计.9.9 3.3 功能程序设计.11.11 3.4 仿真图.13.13 3.5 仿真结果分析.14.14 4 4 心得体会心得体会.15.15 参考文献参考文献 摘摘 要要 本文是对直流电机 PWM 调速器设计的研究，主要

4、实现对电机的控制。为实 现系统的微机控制，在设计中，采用了 AT89C51 单片机作为整个控制系统的控 制电路的核心部分，利用天皇教仪三合一实验箱，配以各种显示、驱动模块， 实现对电动机转速参数的显示和测量；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，不断给光电隔离电路发送 PWM 波形.在设计中，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，大大简化了硬件电路，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。 关键词：AT89C51 单片机，PWM，速度

5、显示 Abstract： This paper is to dc motor PWM governor design research, mainly realizes to motor control. For the realization of the microcomputer control system, the design adopts AT89C51 as the whole control system of control circuit of the core part, using the emperor ordinances three-in-one experim

6、ent box, match with all kinds of display, driver module, realizes to the rotation parameter display and measurements, The adoption of the belt interruption of independent type keyboard as a c4ommand input, microcomputer in the program under control, unceasingly to photoelectric isolating circuit sen

7、d PWM waves. In the design, adopt PWM speed adjustment way, by changing the PWM 390v which changes motor armature voltage, and achieve to motor speed control. Design of the whole control system, the hardware structure is used on a lot of integrated circuit module, greatly simplified the hardware cir

8、cuit and improve the stability and reliability of the system, the system of performance improved Keywords: AT89C51, PWM, speed display 1.1.直流电机直流电机 1-1 直流电机的结构 直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机 磁极由绕在定子上的磁绕提供） ，其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽 内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图1.1所示。 图 1.1 直流电动机结构 1-2 直流电机工作原理 直流电机模型如

9、图1.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱 体，圆柱体表面固定线圈abcd。当线圈流过电流时，线圈受到电磁力作用，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。 +A B - a b c d N S 图图1 1. .1 1 直直流流电电机机工工作作 图 1.2 直流电动机电路模型 1-3 直流电机主要技术参数 额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机负载能力。 额定电压Ue：长期运行的最高电压。 额定电流Ie：长期运行的最大电流。 额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。 励磁电流If：施加到电极线圈上的

10、电流。 1-4 直流电机调速技术指标 1.4.1 调速范围 调速范围是指在一定的负载转矩下，电动机可能运行的最大转速 max n 与最 小 转速min n 之比，即 min max n n D 1.4.2 调速的相对稳定性和静差度 所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围内变化时所引起的速度的变 化，它决定于机械特性的斜率。 静差度(又称静差率)是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载 到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值，用百分数表示，即 %100 n n 0 ，在一般情况下，取额定转矩下的速度落差 N n ，有 %100 n n 0 N 1.4.3 调速的平滑性 调速的平滑性是

11、指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平 滑系数表示，即 1 i i n n 式中 i n 和 1i n 相邻两级，即i级与i1级的速度。 1.4.4 调速时的容许输出 调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴 能够输出的功率和转矩。 2.2.方案论证方案论证 2-1 直流电机控制原理 当直流电动机接上直流电源时，使用电位器旋转按钮控制三极管集极的电 压。如直流电机控制原理图 2-1 图 2-1 直流电机控制原理 1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动； 2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随着 集极电压改变，

12、从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。具 体原理为集极的电压大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到调 速作用改变直流电动机的旋转速度。 2-2 直流电机调速方案的设计 直流电动机的转速控制方法可以分为 2 大类：对励磁磁通进行控制的励磁 控制法和对电枢电压进行控制的电枢电压法。其中励磁控制法在低速时受磁饱 和的限制，在高速时受换向火花和换向器件结构强度的限制。并且励磁线圈电 感较大，动态性能响应较差，所以这种控制方法用的很少，多使用电枢控制法。 本设计将采用电枢控制方法对电动机的速度和转向进行控制。电机调速控制模 块的方案假设： 直流电机转速调节： 某些场合往往要求直流

13、电机的转速在一定范围内可调节，例如，电车、机床等， 调节范围根据负载的要求而定。调速可以有三种方法：（1）改变电机两端电压； （2）改变磁通；（3）在电枢回路中，串联调节电阻。采用第一种方法：通过 改变施加于电机两端的电压大小达到调节直流电机转速的目的。 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。 直流电机调速原理： 图 2-4 所示电枢电压为Va

14、 ,电枢电流为Ia ,电枢回路总电阻为Ra ,电机常 数Ca ,励磁磁通量是 。 图 2-2 直流电机原理 那么根据 KVL 方程:电机转速 n=(Va-Ra)/Ca,其中,对于极对数为p ,匝数为N ,电 枢支路数为a 的电机来说:电机常数Ca = pN / 60 a,意味着电机确定后,该值 是不变的。 而在Va - IaRa 中,由于Ra 仅为绕组电阻,导致IaRa 非常小,所以Va - IaRaVa 。 由此可见我们改变电枢电压时,转速n 即可随之改变。 方案的确定： 兼于直流电机工作原理，调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力 大，因此本设计的调速部分采用由达林顿管组成的 H 型

15、 PWM 电路。 2-3 直流电机测速方案的设计 测速电路由附在电机转子上的光电编码盘及施密特整形电路组成。电脉冲 的频率与电机的转速成固定的比例关系,光码盘输出的电脉冲信号经放大整形为 标准的TTL 电平, 输入到单片机的两个外部中断:INT0和INT1, 利用单片机内部 计数器T1，使用栅格圆盘和光电门组成测速系统。当直流电机通过传动部分带 动栅格圆盘旋转时，测速光电门获得一系列脉冲信号。这些脉冲信号通过单片 机计数器计数，计算出单位时间内的脉冲数m，经过单位换算，就可以算得直流 电机旋转的速度。直流电机转速计算公式：n=60*m/N (rpm) 其中：n 为直流电机转速，N 为栅格数，

16、m 为计数器 T1 在规定时间内测得的 脉冲数。使用系统提供的显示电路，可把电机的转速显示出来。程序中直流电 机初始速度较大（大约 50 转/秒） ，设运行速度设置为 2400 转/分，经过若干 秒后，直流电机转速慢慢下降到运行速度，以设定的速度运行。 根据实验仪器的客观要求，本测速系统的关键是光电耦合器，它的组成是 用一个发光二极管和一个光敏三极管构成。光电耦合器的工作原理就是使发光 二极管导通与截止状态进行发射红外线与不发射，让光敏三极管导通与截止。 具体过程为当发光二极管的两端电压大于死区电压时二极管发射出红外线同时 光敏三极管栅极有驱动三极管导通的电压，使得三极管的源级电压降低由原来

17、的高电平变为低电平，进而产生一个脉冲的形式转送给单片机。通过单片机的 外部中断进行计数脉冲个数从而得到直流电动机的旋转速度。在改变电机转速 的同时影响到发光二极管导通与截止。只有这样才能产生脉冲的形式发送给光 敏二极管，进而改变了外部中断 P3.5 口高低电位。则单片机内部进行计数就可 以获取转速。光电耦合器的电路图如图 2-5 所示。 图 2-3 电耦合器的电路图 3.3.程序与电路设计程序与电路设计 3-1 主程序设计 该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循 环处于等待中断状态 hch equ 30h ;高电平时间 hcl equ 31h lch equ 32h

18、 ;低电平时间 lcl equ 33h cot equ 34h ;档位 k1 equ p1.0 ;启动 k2 equ p1.1 ;加速 k3 equ p1.2 ;减速 k4 equ p1.3 ;停止 org 0000h jmp main org 000bh ljmp ttt org 0030h main: clr p2.0 3-1 主程序流程图 mov ie,#83h ;开外部中断和定时器中断 mov tmod,#0d1h mov th0,#0b1h ;给定时器中断赋初值 mov tl0,#0e0h mov hch,#0b1h mov hcl,#0e0h mov lch,#0b1h mov l

19、cl,#0e0h mov cot,#3h 初始化 初始赋值 等待开始 检测 p1 口 调用子程序 返回初始赋值 start: jnb k1,next jmp start next: lcall delay10ms jb k1,start setb tr0 3-2 数码显数设计 通过P2.1，P2.3口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示 程序代码： www: mov th1,#00h mov tl1,#00h setb tr1 lcall delay83ms clr tr1 mov dptr,#tab mov a,tl1 mov b,#10 div ab xch a,b movc a

20、,a+dptr MOV R7,#08H MOV R6,#08H movc a,a+dptr LOOP: MOV C,ACC.7 MOV P2.3,C SETB P2.1 CLR P2.1 RL A DJNZ R7,LOOP mov a,b movc a,a+dptr aaa: MOV C,ACC.7 MOV P2.3,C SETB P2.1 CLR P2.1 RL A DJNZ R6,aaa LCALL DELAY200MS delay10ms: mov r7,#10 lop2: mov r6,#250 lop1: nop nop djnz r6,lop1 djnz r7,lop2 ret d

21、elay83ms: mov r7,#83 y: mov r6,#250 x: nop nop djnz r6,lop1 djnz r7,lop2 ret delay200ms: mov r5,#20 loop3: mov r7,#10 loop2: mov r6,#250 loop1: nop nop djnz r6,loop1 djnz r7,loop2 djnz r5,loop3 ret org 2000 tab: db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,60h,70h,07h,7fh,6fh end 3-3 功能程序设计 结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、停止，开始 程

22、序代码： MOV A,P1 cpl a JZ www LCALL DELAY200ms MOV A,P1 cpl a JZ www JB ACC.0,www JB ACC.1,jiasu JB ACC.2,jiansu JB ACC.3,stop stop: clr p2.0 clr tr0 ljmp main jiasu: mov a,cot cjne a,#6h,jiasu1 ljmp out1 jiasu1: inc cot mov a,hch ; subb a,#13 mov hch,a mov a,hcl subb a,#00h mov hcl,a mov a,lcl ; add a

23、,#00h mov lcl,a mov a,lch add a,#13h mov lch,a ljmp out1 jiansu: mov a,cot cjne a,#0,jiansu1 ljmp out1 jiansu1: inc cot mov a,hcl add a,#00h mov hcl,a mov a,hch add a,#13h mov hch,a mov a,lcl subb a,#00h mov lcl,a mov a,lch subb a,#13h mov lch,a out1: jmp www ttt: jb p2.0,ddd ;为 1 转 setb p2.0 mov th

24、0,hch mov tl0,hcl jmp bbb ddd: clr p2. 0 初始化 用电位器控制转速 光电耦合测取速度 LED 显示速度 设定时间 是否到 N Y BCD 码转换 速度换算 mov th0,lch mov tl0,lcl bbb: reti 显示流程图 3-2 3-4 仿真图 在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。Proteus是英国Labcenter公 司开发的电路分析与仿真软件。运行于Windows操作系统上，可以仿真、分 析(SPICE)数字电路、模拟电路、数模混合电路，是目前唯一能实现对 51、PIC、AVR、HC11、ARM等处理器的仿真软件。 最后，点击

25、运行按钮，启动系统仿真，图中电机处于初始化状态。仿真结果如 图3-3所示。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7

26、/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 R3 10k 3 2 6 74 81 U3 OP07 R4 10k C4 1nF 3 2 6 74 81 U4 OP07 Q1 2N2222A 15V -15V R1 1k Q2 2N2222A R2 1k R5 200 SRG8 R C1/- &1D 13 2 4 5 6 10 8 11 12 9 13 U2 74LS164 SRG8 R C1/- &1D 13 2 4 5 6 10 8 11 12 9 13 U5 74LS164 +88.8 图 3-3 仿真结果 3-5 仿真结果分析 当仿真开始运行时，各个模块处于初始状态。点击右边的独立键盘加速或 是减速按钮。显示模块便开始显示数字。电机的驱动模块能够实现电机的转加 速、减速、停止等操作。且改变PWM脉冲时的占空比电机的工作电压改变。 因此，从仿真结果可以看出，本设计可以得