电信0801班--罗占伟--大四课设

1、 目 录一、课题意义-2二、方案比较-3三、方案设计-4 1、控制方法及分析-42、电机转速控制元件选用及分析-83、系统结构框图-11 4、直流电机和单片机连接原理图-11四、系统的软件设计-111、系统流程图-12 2、流程图说明-12五、结论-13六、参考文献-13七、附录1：（系统原理图）八、附录2：（系统程序）一、课题意义：电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调甚至儿童玩具等领域也离不开电机。同时，在越来越多的应用场合，只能

2、旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流电机因具有良好的线性调速特性、效率高、控制简单、调速性能好及体积小等优点得到了广泛使用。常规电机调速控制方法中，电机工作不稳定,损耗较大,尤其在低电压轻负荷时情况更为严重，且工作频率受电源

3、频率的限制, 难以满足高精度的调速要求，不利于广泛推广。如何才能使电路具有成本低、控制精度高、调试修改参数方便，且能方便和灵活地适用于大功率、可靠性高的直流电机控制系统中,是我们研究的目的。二、方案比较：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，通过开关的切换对直流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。

4、方案三：采用集成芯片L298N ，L298N是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点，使用它和PWM技术可控制驱动电流大小以达到电机速度的调整。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。三、方案设计：1、控制方法及分析：直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制

5、，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻r即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。现在一般采用脉冲宽度调制（PWM）控制技术来实现电机速度调整。该技术稳定性好，易控制，精度高。（1） PWM定义脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏

6、置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)

7、需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。（2）调速原理PWM是通过固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电机的平均速度得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比

8、为D=t1/T，则电机的平均速度为Vd=Vmax*D.式中，Vd-电机的平均速度；Vmax-电机全通电时的速度（最大）；D=t1/T-占空比。由公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格的讲，平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。 单片机AT89S52是具有两个定时器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从89s52的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同的单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振

9、不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为：式中，Tw-定时器定时初值；N-一个机器周期的时钟熟。 N随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值Tw，从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。 注： 占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。（3）L298N工作原理：L298N是具有15个引脚的单列直插式2位同时驱动芯片。其引脚功能分别为：1、8、15脚为GND引脚，2、3

10、脚为输出引脚， 9脚为VSS引脚，4脚为VS引脚，5、7脚为输入引脚，6脚为选通1通道引脚。其余引脚为通道2所需要引脚，在此没有用到通道2，故其余引脚全部悬空。当6脚数据输入量为1时，1通道正常工作，当5、7脚输入为1、0时，2、3脚输出的电平使电动机正转，并且可以按照单片机所赋给6脚的置1、置0的占空比的不同而使电动机的转速得以改变。当5、7脚输入为0、1时，2、3脚输出的电平使电动机反转，并且同理可以按照单片机所复给6脚的置1、置0的占空比的不同而使电动机的转速得以改变。所以本系统使用L298N用来控制直流电机的正转、反转。它的使能端ENA接到单片机的P1.5管脚。使能端是高电平有效。输入

11、控制端IN1、IN2接到单片机的P1.6、P1.7管脚。输出端OUT1、OUT2接到电机的两端，分别给IN1、IN2不同的高低电平就可以控制电机的正传反转。如图所示：注：保护电路由二极管组成，由于电动机是呈电感性很强的，所以在开机或着关机时，会产生很大的感应电压而烧坏芯片，在此，为了保护驱动芯片，接了几个二极管，从而大大的减小了由于感应电压带给驱动芯片的危害。2、电机转速及方向控制元件选用及分析：（1） 单片机单片机选用AT89S52，其与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、 全静态操作：0Hz33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可

12、编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器 八个中断源 、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针 、掉电标识符 。功能特性描述 ：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52

13、具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。（2）电机驱动芯片L298是SGS(通标标准技术服务有限公司)公司的产

14、品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。且其有控制精度高、稳定性好、响应速度快等优点。其能很好满足电路设计要求。如图为其内部结构图；其基本工作原理为：IN1、IN2配合可以控制电机的转向，ENA为使能端当设定好电机转向后，对ENA进行高频PWM调制输入，在电枢电感滤波的作用下，电机就可以得到低于电源电压的实际工作电压。当ENA=1时，电机端电压U=Vs，当ENA=0时，电机通过主开关管的反并联二极管（图中未示出）虚

15、流，实际相当于电机反转在电源两端，电机端电压U=Vs，因此，可以推出，当ENA的占空比为D时，电机实际获得的端电压值为：U=（2D-1）*Vs。（而实际上由于电机是消耗电能，因此D<0.5时是不能工作的） 即DC/DC降压电路的传函为：Us=Vs*（2F(S)-1）。3、系统结构框图：4、直流电机和单片机连接原理图：原理图见附录1.四、系统的软件设计：1、本系统编程部分工作采用C语言完成，以下为系统流程图：系统程序见附录2.2、流程图说明：开始后，正向匀加速过程为调制PWM占空比，使其以10%/s增加，持续5s；正向匀速过程为以PWM占空比为50%时的速度持续5s；正向匀减速过程为再次调

16、制PMW占空比，使其以10%减小，持续5s；反向匀加速过程为继续调制PWM占空比以10%/s增加，同时使其反向；反向匀速过程为调制占空比以50%时的速度持续5s；反向匀减速过程为调制PMW占空比，使其以10%减小，持续5s；整个过程往复循环。五、结论：利用AT89S52单片机产生的PWM 信号，实现了对电机速度的控制，提高了系统的控制精度,保证了电机转速的稳定性；电机的启动、停止、速度都由程序定义,调试时只需修改PWM信号占空比即可实现速度控制，改变输出口电平即可实现电机正反转，无须改变系统硬件电路,即可实现各种控制，能有效缩短开发周期,提高效率；结合了受限倍频单极性可逆PWM电机驱动电路，增

17、强了系统的驱动能力，提高了系统的可靠性和性价比。电路设计简单，电机控制方便，有利于广泛推广。六、参考文献：1 、王建华 ，计算机控制技术 ，高等教育出版社，20092 、林爵天，微机控制PWM直流电机调速 ，上海电机技术高等专科学校学报 ，20013 、李玮、赵江、刘建业，一种使用的单片机控制的数字式调速系统 ，吉林化工学院学报 ，20024 、张大明 ，单片机微机控制应用技术 ，机械工业出版社 ，20075、 郭天祥，51单片机C语言教程，电子工业出版社，20106、王兆安、刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2010附录1：（原理图）附录2：（系统程序）附录2：（系统程序）/* =直流电

18、机的PWM速度控制程序= */ /* 晶振采用11.0592M,产生的PWM的频率约为91Hz */ #include<reg51.h> #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit en1=P21; /* L298的Enable A */ sbit s1=P23; /* L298的Input 1 */ sbit s2=P24; /* L298的Input 2 */ uchar t=0; /* 中断计数器 */ uchar m1=0; /* 电机速度值 */ uch

19、ar tmp1; /* 电机当前速度值 */ /* 电机控制函数 index-电机号; speed-电机速度(-100100) */ void motor(uchar index, char speed) if(speed>=-100 && speed<=100) if(index=1) /* 电机的处理 */ m1=abs(speed); /* 取速度的绝对值 */ if(speed<0) /* 速度值为负则反转 */ s1=0; s2=1; else /* 不为负数则正转 */ s1=1; s2=0; void delay(uint j) /* 简易延时函数 */ for(j;j>0;j-); void main() cha