直流电机速度控制

1、目 录摘 要I第1章 绪论1第2章 系统论述32.1 总体方案32.2 基本原理32.3 原理框图3第3章 系统的硬件设计53.1 单片机最小系统的设计53.2 电源电路设计63.3 直流电机驱动电路设计73.4 显示模块设计83.5 按钮电路设计83.6 元件参数选择9第4章 系统的软件设计114.1 总体方案114.2 相关软件介绍124.3 应用软件的编制、调试13第5章 仿真结果与分析145.1仿真电路图145.2 仿真结果14第6章 总结17参考文献18附录A：系统整体硬件电路图19附录B：程序代码20 摘 要 当今，计算机控制系统已经在各行各业中得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控

2、制作为电器传动的主流在现代化生产中起着主导作用。由于生产过程的不同要求，需要电动机进行不同转速的运转。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电动机控制系统有着十分重要的显示意义。 本设计主要运用AT89C51单片机为核心硬件，对直流电动机进行速度控制。并且辅助以硬件部分的驱动、复位、LED显示等电路，软件部分对AT89C51进行模块化程序的输入，通过按钮控制，实现对直流电动机的正转、反转、加速、减速和停止等控制功能。同时，由LED与电动机转速显示控制效果。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统设计，简化系统构成、提高系统性能，满足了生产要求。关键词：计算机控制 AT89C51单片机

3、 直流电动机22第1章 绪论随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM 调速的方法。直流电动机有良好的起动、制动性能, 宜于在广范围内平滑调速, 至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域中仍有广泛的应用。直流调速系统在不断发展, 尤其是近年来, 国内外各厂家竞相推出全数字直流调速装置, 使得直流调速系统在理论和实践方面都迈上了一个新的台阶。以往的直流调速装置是全模拟式设备。变电

4、压调速是直流调速的主要方法,常用晶闸管可控整流器做可控直流电源。这些旧设备急待更新改造。另外,目前高等院校的电力拖动自动控制系统的实验教学,还采用全模拟式的实验设备, 尚无适合于教学的全数字式直流调速实验装置,有待于开发。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载可实现频繁的无级快速起动、急停和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现自动化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好

5、地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于单片机性能优越，具有较佳的性能价格比，所以单片机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好：同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。通过单片机来实现电机调整有多种途径。相对于其他用硬件或者硬软结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM 用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性和更低的成本，能够充分发挥单片机的效能，对于简易

6、速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。对于软件，采用计数法加软件延时法进行设计的思路，为采用纯软件对电机速度的平滑调节提供了一种不错的解决方案，经过在“油辊电机控制系统”中的实际应用证明，能够取得满意的效果。本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、急停等操作。并实现电路的仿真。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，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；由命令输入模块、光电隔离模块及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，

7、单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.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。第2章 系统论述2.1 总体方案直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，调整电机的转速，还能方便的读出电机转速的大小，实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。 该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡

8、器和时钟电路，这部分电路主要由89C51单片机和一些电容、晶振组成。输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。显示部分由SM410564四位共阳数码管组成显示模块；LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。2.2 基本原理1）主体电路： 直流电机PWM控制模块：这部分电路主要由89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，

9、还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。 此外，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。2）各部分电路模块的组成： （a）设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。 （c）设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。 （b）设计显示部分：是直接采用SM410564四位共阳数码管组成显示模块。3）直流电机PWM控制实现部分： 主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。2.3 原理框图1）系统组成：如图2-

10、1所示图2-1 直流电机PWM调速方案 2）方案说明： 直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为控制核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。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，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LED显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知道它的转向。 第3章 系统的硬件设计3.1 单片机最小系统的设计1）单片机AT89C51： AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦出只读存储器的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用AT

11、MEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准MCS-51指令集合输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。2）复位电路及时钟电路： 复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。两种常用复位电路：上电复位和手动复位。其中：上电复位，如图3-1所示；手动复位，如图3-2所示。 图3-1 上电复位 图3-2 手动复位有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位。所以本次设计选用手动复位。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有利于实现更高的

12、信号采样率，从而实现更多的功能。但是高速对系统的要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用于控制，而并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处。本次设计选取12.0M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。单片机最小系统如图3-3所示： 图3-3 单片机最小系统3.2 电源电路设计直流稳压电源的基本原理：直流稳压电源一般有电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图3-4所示。图3-4 直流电源原理1） 电源变压器T： 将220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui，变压器副边

13、与原边的功率比为P2/P1=n，式中n是变压器的效率。2） 整流电路： 整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的波纹成分，输出波纹较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。3） 滤波电路： 各滤波电路C满足RL-C=（35）T/2，式中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。4） 稳压电路: 常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。二者的工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的

14、目的。它一般适用于负载电流变化较小的场合。串联型稳压电路是利用电压串联负反馈的原理来调节输出电压的。集成稳压电源事实上是串联稳压电源的集成化。3.3 直流电机驱动电路设计由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来驱动电机。本设计所采用的L298N，可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.57V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2.546V，输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和O

15、UT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机，连接于OUT1和OUT2端口之间（电动机在子图中未画出）。此外，5，7脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。同时，需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机。具体直流电机驱动电路，如图3-5所示。 图3-5 驱动电路3.4 显示模块设计本次设计显示模块直接采用的是SM410564 四位共阳数码管显示。又因为单片机的输出端口输出的电流较小，点亮数码管的能力不大，所以需要采用三极管对输出电流进行放大，此次三极管采用的是C9013，具体放大电路如图3-6所示

16、： 图3-6 放大电路3.5 按钮电路设计正转、反转、急停、加速、减速五个开关分别与单片机的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4相连，然后再与地相连。急停实现直流电机的停转，正转实现直流电机的正转，反转实现直流电机的反转，加速实现直流电机的加速，减速实现直流电机的减速，其电路如图3-7所示。 图3-7 控制按钮电路3.6 元件参数选择1）实际计算过程 （a）变压器选择：变压器选择双15V变压，考虑到电流不需要太大，最大电流为1A，实际选择变压器输出功率为10W，可以很好的满足要求。 （b）整流桥：考虑到电路中会出现冲击电流，整流桥的额定电流是工作电流的23倍。选取RS301（100

17、V，3A）即可，实际购买过程中选择了RS30（700V，3A）也符合设计要求。 （c）滤波电容：考虑到对纹波电压要求比较高，故选择了2200F耐压值为25V以及100F耐压值50v的电解电容。 （d）去耦电容：去耦电容的选择是7812及7805芯片要求的，查手册可知分别为0.01F，用来滤除高频分量防止产生自激。 （e）电解电容：为了防止负载产生冲击电流，故在输出端加入2200F、耐压值为25V的电解电容。 （f）7805支路的元件参数基本相同。2） 直流电源产生电路:12V如图3-7所示、5V如图3-8所示: 图3-7 12V电源 图3-8 5V电源注：系统整体硬件电路图，详见附录A。第4章

18、 系统的软件设计4.1 总体方案利用P3口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动直流电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，达到使电机正转、反转、加速、减速、停转等目的。由软件编程从P3.0/P3.1管脚产生PWM 信号，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。软件采用延时法进行设计。单片机上电后，系统进入准备状态。当按动启动按钮后，根据P3.0为高电平时实现电机正转，P3.1为高电平时实现电机反转。根据不同的加减速按钮，调整P3.0/ P3.1输出高低电平时的占空比，从而可以控制P3.0/ P3.1输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。 其总体流程图如图4-1所示：图4-1 总体程序

19、流程图P3.0/P3.1脉冲宽度调制器(PWM) 通道,它们产生可由编程决定宽度和间隔的脉冲。脉冲的间隔周期是由一个FOR循环控制,来产生不同的占空比。单片机产生的PWM信号不能直接驱动电机,这就需要设计合适的驱动电路，用以可以间接地驱动电机，使其能够正常运行。为此，我们可借助于恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N来完成对电动机的驱动。具体的设计方法是通过Keil C编程，Proteus联合仿真来实现的。4.2 相关软件介绍1）Proteus Proteus是一种低投资的电子设计自动化软件，提供Schematic Drawing，SPICE仿真与PCB设计功能，这一点Proteus与multis

20、im比较类似，只不过它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，与Keil和MPLAB不同的是它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路图就可以仿真，例如373，led，示波器，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，里面有大量的例子参考。 （a）Proteus可提供的仿真元件资源Proteus软件提供了可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库； （b）Proteus可提供的仿真仪表资源虚拟仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量仿真软

21、件实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件中，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用； （c）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来； （d）Proteus还提供了比较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。2）Keil Keil是德国开发的一个51单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级，使它已经成为了一个重要的单片机开发平台，不过KEIL的界面并不是非常复杂，操作也不是非常困难，很多工程师的开发的优秀程序都

22、是在KEIL的平台上编写出来的。可以说它是一个比较重要的软件，熟悉他的人很多很多，用户群极为庞大，要远远超过伟福等厂家软件用户群，操作有不懂的地方只要找相关的书看看，到相关的单片机技术论坛问问，很快就可以掌握它的基本使用了。 （a）Keil的UVision2可以进行纯粹的软件仿真(仿真软件程序，不接硬件电路)，也可以利用硬件仿真器，搭接上单片机硬件系统，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真； （b）可以使用UVision2的内嵌模块Keil Monitor-51，在不需要额外的硬件仿真器的条件下，搭接单片机硬件系统对项目程序进行实时仿真； （c）uVision2调试器具备所有常规源极调试，符号

23、调试特性以及历史跟踪，代码覆盖，复杂断点等功能。DDE界面和shift语言支持自动程序测试。4.3 应用软件的编制、调试 使用Keil 软件工具时，项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相似。1）创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置；2）用C语言或汇编语言创建源程序；3）用项目管理器生成应用；4）修改源程序中的错误；5）测试，连接应用。注：控制程序，详见附录B。第5章 仿真结果与分析5.1仿真电路图 如图5-1所示：图5-1 仿真电路图5.2 仿真结果1）半速运行状态，运行结果如图5-1所示： 图5-1 电机半速运行2）按下急停键，停止运行如图5-2所示：图5-2 电机停止运行

24、3）按下加速键，加速运行如图5-3所示：图5-3 电机加速运行4）按下减速键，减速运行如5-4所示：图5-4 电机减速运行5） 按下反转键，反转运行如图5-5所示：图5-5 电机反向运行第6章 总结本次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。这次课程设计，运用AT89C51单片机为核心硬件，设计了直流电机的转速控制系统。实现了对直流电机的停止、加速、减速、正转、反转等多种控制功能，基本满足设系统计的要求。同时，在驱动芯片和

25、电动机的连接之间我们有加入续流二极管，在电机反向运转时进行续流，避免烧坏电机及其他元件。在此设计中P0口作为输出端口，我们在P0口接入了排阻使电路复位后P0口输出的为高电平。通过本次课程设计，学习与掌握了AT98C51单片机的基本原理及其各种应用，对它的各种硬件接口与软件设计方法有较深入的认识。对自动控制系统的动、静态性能及其控制有了一定的认识。本设计重点在于应用，因此在设计过程中使自己的动手能力得到锻炼，同时提高了解决实际问题的能力参考文献1 张琛.直流无刷电动机原理及应用M，北京：北京机械工业出版社，1996.2 周兴华.用单片机控制直流电机变速J，电子制作，2006，Vol.34，NO.

26、6： 34-35.3 岳东海，颜鹏.直流电机PWM无级调速控制系统设计J，价值工程，2010，Vol.14，NO.2:135-136.4 郭浩.3A驱动能力PWM直流电机控制电路的制作J，电子制作，2007，Vol.9，NO.10:42-43.5 杨斌文，梅英，徐宇明.并励直流电动机的机械特性分析（英文）J，湖南文理学院报（自然科学版），2006，V0l.18,DO.2: 60-61,68.6 王鉴光.电动机控制系统M，北京：北京机械工业出版社，1994.7 王小明.电动机的单片机控制M，北京：北京航空航天大学出版社，2002.8 顾绳谷.电机及拖动基础M, 北京：机械工业出版社，2007.附

27、录A：系统整体硬件电路图系统整体硬件电路图附录B：程序代码#include<at89x51.h>#define unchar unsigned char#define unint unsigned intunsigned char code dispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf; /显示代码unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/位选口unsigned char disp

28、buf4=0,0,0,0;unsigned char dispbitcnt;unint mstcnt;unint i;unint count=0;unchar tp=0;void ledshow();void keyscan();void delay();void just();void turn();void motorstop();void speedup();void speeddown();void main(void)P3_0=1;P3_1=0;dispbuf0=16;TMOD=0x02;TH0=0x06;TL0=0x06;TR0=1;ET0=1;EA=1;while(1)ledshow();/数码管显示keyscan();/键盘扫描/延时10ms程序void delay()unsigned char i,j;for(i=20;i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);/键盘扫描程序void keyscan()unchar temp=0;P1=0xff;if(P1&0x1f)!=0x1f)delay();if(P1&0x1f)!=0x1f)temp=P1&a