直流电机课程设计详解

华北科学院课程设计目录绪论··································3一：设计主题··························4二：设计目的··························4三：设计思路··························4四：基本原理与总体设计图· ·············4五：直流电机单元电路设计与分析· ·······5直流电机设计部分················51.1直流电机的驱动模块·········51.2直流电机的类型简介·········61.3直流电机的基本结构·········61.4直流电机工作原理············61.5直流电机主要技术参数········71.6直流电机PWM调速原理·········71.7电机驱动模块的电路设计······101.8程序设计流程图··············12直流电机的中断键盘控制模块·······142.1外部中断设置················14-1-华北科学院课程设计2.2 外部中断扩展方法···········151602LCD液晶显示模块············163.1引脚分布和接口信号说明·····163.2LCD液晶显示电路···········17六．直流电机 PWM控制系统的实现·······19总电路功能介绍·················19直流电机控制程序··············19七．系统仿真截图······················25八．心得体会··························28九．元件清单··························29十．参考文献··························29-2-华北科学院课程设计绪论直流电机顾名思义，将直流电能转换成机械能 (直流电动机)或将机械能转换成直流电能 (直流发电机)的旋转电机。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这时通过PWM（脉冲宽度调制技术）方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。随着我国经济和文化事业的发展，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。-3-华北科学院课程设计基于单片机的直流电机控制系统一．设计任务以单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统，实现的功能主要包括：直流电机的正、反转；直流电机的加速和减速；直流电机的启动和停止；以及直流电机的转速在LCD显示屏上显示。二．设计目的综合计算机控制系统、电机与拖动及单片机原理等课程所学的理论知识设计一个单片机系统，达到学以致用，加深对所学知识的进一步理解与掌握，并且优化知识结构、丰富动手和思维能力的目的。三．设计思路直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、減速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的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、连续等功能。该直流电机控制系统由以下电路模块组成：（1）振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。（2）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。（3）设计控制部分：主要由AT89C51单片机的外部中断扩展电路组成。（4）设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。其中液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。（5）直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L289直流电机驱动模块组成。四.基本原理与总体设计框图主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51单片机的I/O端口、定时/计数器、外部中断扩展等控制直-4-华北科学院课程设计流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的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、连续等功能。直流电机PWM调速方案设计框图如图 1所示。直流电直机驱动流P0口模块电加速控制机AT89C51单片减速控制机P2口正转控制LCD反转控制液晶P1口显示停止控制端图1直流电机PWM调速方案设计框图方案说明：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、LCD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，单片机在程序的控制下，定时不断的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LCD显示模块中去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温馨提示。五．直流电机单元电路设计与分析直流电机设计部分1.1 直流电机的驱动模块-5-华北科学院课程设计直流电机的驱动模块主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三态门等）组成。1.2 直流电机的类型简介直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能） 、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。这里我们用到的主要是直流电动机。1.3 直流电机的基本结构直流电机主要由定子、转子和结构件三部分组成。定子包括机座、主磁极、换向磁极、前、后端盖和电刷装置等几个部分；转子是直流电动机实现能量转换的枢纽，有称为“电枢”，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。直流电机的结构如图 2所示。图2 直流电动机结构1.4直流电机工作原理直流电机电路模型如图3所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。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路的方向实现改变电机的方向。-6-华北科学院课程设计图3 直流电动机电路模型1.5直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率Pe:在额定电流和电压下，电机的负载能力。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。以r/min为单位。励磁电流 f：施加到电极线圈上的电流。1.6直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图 4表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流 Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转军T0均与n相反，是制动转矩。-7-华北科学院课程设计图4直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式Ea-Ia(RaRc)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1.1)式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和： Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为：UaIRCe⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1.2)式(1.2)中，Ce为电动势常数， 是磁通量。由式1.1和1.2得n EaCe⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ (1.3)由式(1.3)中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由在电枢两端的电压 Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动：改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM电机调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方-8-华北科学院课程设计法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。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，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图 2-8所示：图5PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。由上面的公式可见，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。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为5所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。-9-华北科学院课程设计图6施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为 D=t1/T，则电枢的平均电压为：U=U×D⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（ 1.4）n EaCe≈U×DCe=KD在假设电枢内阻转小的情况下式中 K UCe ，K是常数。图6为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图7占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不是完全的线性关系（途中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速，这就是直流电机PWM调速原理。1.7电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地，进行连线，我们就此设计的直流电机驱动模块如图8所示。所用元器件如下所示：-10-华北科学院课程设计图8驱动模块所用元器件图9 直流电机驱动电路-11-华北科学院课程设计然而考虑市场的行情，既然已有专门为电机驱动而设计的芯片，就没必要再重新来设计：选用L298芯片来构成的电路结构基本跟上图一样，由L298芯片组装的驱动模块如图10所示。所用元器件如下所示：图10 直流电机及其驱动电路1.8程序设计流程图直流电机控制系统的设计流程图如图 11所示。-12-华北科学院课程设计图11 系统的设计流程图-13-华北科学院课程设计图12定时中断服务流程图直流电机的中断键盘控制模块2.1外部中断设置（1）外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放外部中断 0的设置：SETBEX0SETBEA开放外部中断0和1的设置：SETBEX0SETBEX1SETBEA2）外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。-14-华北科学院课程设计电平触发设置方法：CLRITX，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法：SETBITX=1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中的呢时，如果不进行设置，则为电平触发方式。（3）外部优先级设置外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。PX置1为高级中断，PX为0为低级中断。2.2外部中断扩展方法在图10中所示的为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部信号，X1代表加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信号，X5=0表示停止处理。图13 外部中断扩展电路当系统检测到有中断请求时，响应如下中断服务流程图如图12所示。-15-华北科学院课程设计图14中断服务流程图1602LCD液晶显示模块3.1引脚分布和接口信号说明（1）引脚分布1602液晶显示共有16个引脚，其引脚分布图如图 12所示。图15 1602 液晶显示模块引脚分布（2）引脚功能1602引脚功能如表13所示-16-华北科学院课程设计表161602引脚定义及功能3.2LCD液晶显示电路-17-华北科学院课程设计显示程序流程图如图 17所示图17 显示程序流程图-18-华北科学院课程设计六．直流电机 PWM控制系统的实现总电路功能介绍直流电机PWM调速控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LCD液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由80C51单片机内部给出。直流电机转动速度由LCD液晶显示。操作开关状态由液晶显示器显示。直流电机控制程序ORG0000HSJMPDISPLAYORG0003HLJMPBUTTON ；外部0中断入口地址ORG000BHLJMPDINGSHI ；定时中断T0入口地址RSEQUP3.0RWEQUP3.1EQUP3.4ORG0030HDISPLAY:；显示程序为主程序SETBEA；打开中断总开关SETBEX0；打开外部中断0开关SETBIT0；打开外部中断0下降沿触发MOVTMOD,#01H；设置定时工作方式MOVTL0,#0FFH；设置定时初值MOVTH0,#0FFHSETBET0；打开定时中断T0开关CLRP0.5CLRP0.6CLRP0.7SETBTR0；定时器T0开始定时MOVDPTR,#TAB；液晶显示的字符首地址MOVR0,#00H；脉宽的初值MOVR1,#16；“SETSPEEDPLEASE”的字符个数MOVR3,#00H-19-华北科学院课程设计MOVR4,#00HLP9:LCALLCHUSHILP2:ACALLBUSYMOVA,#00HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATASINCDPTRDJNZR1,LP2LP3:CJNER3,#00H,LP4CJNER4,#00H,LP4SJMPLP3LP4:MOVR7,#00H ；中断的标志MOVR5,#09H ；CURRENT:的字符个数ACALLBUSYMOVP1,#0C0HACALLENABLEMOVDPTR,#MMTABACALLBUSYLP5:MOVA,#00HMOVCA,@A+DPTRMOVP1,AINCDPTRACALLDATASACALLBUSYDJNZR5,LP5MOVDPTR,#STABMOVA,R2MOVP1,AACALLDATASACALLBUSYMOVA,R3-20-华北科学院课程设计MOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATASACALLBUSYMOVA,R4 ；显示速度的个位MOVCA,@A+DPTRMOVP1,AACALLDATAS；使液晶始终显示当前电机的速度LP8:CJNER7,#00H,LP7 ；速度不变时等待LJMPLP8 ；速度变时重新读入速度LP7:SJMPLP4CHUSHI: ；使液晶显示的一些初始设置ACALLBUSYMOVP1,#00000001B ；清屏并光标复位ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00111000B；设置显示模式：8位2行5×7点阵ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00001111B；显示器开、光标开、光标允许闪烁ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#00000110B ；文字不动，光标自动右移ACALLENABLEACALLBUSYMOVP1,#80H ；写入显示起始地址ACALLENABLERETENABLE: ；写入控制命令的子程序SETBECLRRSCLRRWCLRE-21-华北科学院课程设计RETDATAS: ；写入数据子程序SETBESETBRSCLRRWCLRERETBUSY: ；准备写入数据CLREMOVP1,#0FFHCLRRSSETBRWSETBEJBP1.7,BUSYRETORG2000HDINGSHI: ；定时中断服务程序CPLP0.7JNBP0.7,Z1 ；周期一定MOVA,#0FFHSUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0RETIZ1: MOVTH0,R0 ；脉宽SETBTR0RETIBUTTON: ；从控制键盘中读取操作命令PUSHACCCLREX0CLREAINCR7MOVA,#0FFHMOVP2,AMOVA,P2JNBACC.0,AA0JNBACC.1,KK0-22-华北科学院课程设计JNBACC.2,ZZJNBACC.3,FFJNBACC.4,WW0AJMPQQAA0:CJNER0,#0FFH,AA1 ；加速操作AJMPQQAA1:MOVA,R0ADDA,#5MOVR0,AAJMPQQKK0:CJNER0,#00,MM ；减速操作AJMPQQMM: MOVA,R0SUBBA,#5MOVR0,AAJMPQQQQ: MOVA,R0MOVB,#5DIVABMOVB,#10DIVABMOVR3,AMOVR4,BSETBEX0LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEAPOPACCRETIZZ: SETBP0.5 ；正转操作CLRP0.6MOVR2,#2BH ；正转标志“+“LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAY-23-华北科学院课程设计SETBEX0SETBEAPOPACCRETIFF: CLRP0.5 ；反转操作SETBP0.6MOVR2,#2DH ；反转标志“—“LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIWW0: ；停止操作CLRP0.5CLRP0.6LCALLDELAYLCALLDELAYLCALLDELAYSETBEX0SETBEAPOPACCRETIDELAY: ；延时子程序MOVR5,#0E0HMM0:MOVR6,#30HMM1:DJNZR6,MM1DJNZR5,MM0RETTAB: DB53H,45H,54H,20HDB53H,50H,45H,45H ；“SETSPEEDPLEASE”代码DB44H,20H,50H,4CHDB45H,41H,53H,45HSTAB:DB30H,31H,32H,33HDB34H,35H,36H,37H ；“0，1,2,3,4,5,6,7 “代码DB38H,39H,41H,42H ；“8,9，A,B,C,D,E,F”代码-24-华北科学院课程设计DB43H,44H,45H,46HMMTAB:DB43H,4FH,52H,52HDB45H,4EH,54H,20H；“CURRENT：”代码DB3AHEND七．系统仿真截图LCD液晶显示电路的系统仿真与测试：在PROTEUS运行环境中首先检验LCD显示电路，添加程序，运行LCD液晶显示电路，系统若运行成功将得到如图15，此后在之前的电路基础上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图16所示。LCD1LM016LSDESW01234567SDEEVVVRRDDDDDDDD12345678901234U1SW1111119XTAL1P0.0/AD039RREP0.1/AD13837P0.2/AD21836XTAL2P0.3/AD335P0.4/AD434RV1P0.5/AD533P0.6/AD69321kRSTP0.7/AD7P2.0/A821加速22减速P2.1/A923正转P2.2/A102924反转PSENP2.3/A113025停止ALEP2.4/A123126EAP2.5/A1327P2.6/A1428P2.7/A151P1.0P3.0/RXD10RS211RWP1.1P3.1/TXD312P1.2P3.2/INT0413P1.3P3.3/INT1E514P1.4P3.4/T0615P1.5P3.5/T1716P1.6P3.6/WR817P1.7P3.7/RDAT89C51U3图15LCD液晶显示字符初步调试-25-华北科学院课程设计LCD1DWU1RV1U3图16 带中断控制的LCD液晶显示调试用带中断的键盘来控制直流电机驱动模块