【基于单片机的直流电机调速系统设计与实现12000字（论文）】

基于单片机的直流电机调速系统设计与实现目录第1章绪论 11.1课题的研究目的和意义 11.2直流电机调速系统研究现状 21.2.1国内研究现状 31.2.2国外研究现状 41.3本文主要研究内容 5第2章直流电机调速系统设计及其原理 62.1直流电机的结构 62.2直流电动机的工作原理 72.3PWM直流电机调速原理 82.4系统整体设计思路 9第3章硬件电路设计 113.1基于单片机控制电路设计 113.2电机驱动电路设计 143.3调速系统供电电源电路设计 163.4测试模块电路设计 163.5PWM信号发生电路设计 17第4章系统软件设计 194.1系统程序设计 194.1.1主程序设计 194.1.2PWM信号发生程序设计 204.1.3延时程序设计 214.2系统调试 224.2.1软件调试 224.2.2测速软件设计 23第5章系统仿真调试 245.1仿真调试软件选取 245.1.1编程软件选取 245.1.2硬件电路仿真软件选取 255.2系统仿真调试结果 25结论 28参考文献 29第1章绪论1.1课题的研究目的和意义随着工业发展的进步，直流电机由于能提供多数电力设备电能被应用于社会生活中的很多领域中，如交通、工厂、航天等诸多领域中。而直流电机的作用就是产生电能，它主要是由定子与转子所构成，其中定子代表的就是在机器运行时器件处于静止状态的部分，其主要的作用就是产生磁场；转子指的就是运行器件中负责运动的部件，主要负责电磁转矩的产生。而直流电机调速系统是通过认为操作来改变电机的转速从而达到预期想要结果的一种操作。在控制直流电机转速的时候必须根据不同的用电要求选择合适的转速，并且在工业生产中能够满足更多的生产要求，不过工程应用当中稳速却不能够达到要求，要满足网速要求，必须要在一定的精度条件下按照规定速度运行，并且运行的时候不能受到太大的干扰以及转速改变。一般直流电机出现速度不稳定的现象是因为直流调速单元出现了调节器故障，无法快速根据负载参数的改变作出反应。因为直流电机的数字模型比较容易得到，而利用经典控制理论可以明确被控制对象的传递函数的具体值，市面上大多数直流电机调速系统都是基于上述理论进行设计的。不过在实际的传输系统设计过程当中，数字模型中所表示的电机参数以及拖动负载参数与实际参数之间可能有一些出入，特别是一些需要调速的中小型电机。而且对直流电机的管理和控制并不根据线性控制进行，因为许多非线性元素都会干扰到拖动载荷，又因为被控制对象的非线性参数，因此必须明确调节器的常数参数，不然的话就无法在各种运行条件下确定系统的调速指标，这样往往会导致调速系统的性能无法达到规定标准，特别是在系统模型范围涉及较大的情况下，控制性能往往达不到系统所要的调速标准，通常无法在非线性因素以及载荷因素的影响下保持稳定。进行工程设计的过程当中，控制器的控制性能必须满足系统需要，比如说轧辊磨床车架电控系统，运行过程都必须稳定。进行生产的时候，不管是生产负荷参数还是电机速度，都应该满足设计要求。近些年来，随着自动控制技术的兴起，关于以单片机为控制芯片的操作系统的研究也越来越多，而PWM(脉冲宽度调制)技术的出现，它能够控制元器件电路的开关，使其直流电压伴随元器件开关而发生变化。并且大多数单片机都具有使用简单，功能强大的优点，使单片机结合PWM直流电机调速成为一种很重要的研究方法。PWM调速系统的整体系统较为简单，操作方便，并且能够在很大范围内都能进行调速，因此能够应用到很多领域中，并且还能够实现与数字信号通信。1.2直流电机调速系统研究现状近些年，因为智能技术以及自动化技术在近几年的进步速度加快，相关领域对于直流电机调速系统的研究内容不断丰富，并且在这方面的研究，国外要比国内更多一些，所以国外的研究技术更为成熟一些，而国内的发展也是近些年才开始的，所以发展的较为慢一些。我国直流电机调速系统发展高速时因为我国的第一只晶闸管在刚刚研究出的时候就被迅速应用到调速系统上并且取得了一定的成功。电力电子技术的出现促进了电机控制技术的进步，电力电机技术更新换代的速度不断加快，这些都为电机控制技术的进步奠定了基础。自从上世纪60年代晶体管诞生以后，发展到如今，电力电子器件已经更新到了第4代。每一次电力电子器件产品的更新，都会让产品的性能更上一个台阶，这也带动了相关结构和技术的进步，使得不同领域内的竞争逐渐加剧，这也带动了更多电子应用的出现。并且在微电子技术以及自动控制技术等高科技技术兴起之后，电机控制技术也得到了一定的完善，这也为后续的智能化、自动化技术的发展奠定了基础。在之前的20年时间里，这些技术在我国各领域的应用范围逐渐变得广阔。刚开始的时候模拟隔离器件由自动控制器组成，因为模拟器件的各类缺点，控制精度很高，需要多个组成器件共同辅助系统运行，这也使得模拟直流驱动系统可靠性低。自从上世纪70年代之后，单片机就被当成了电机控制系统的主要控制芯片。在基于单片机的控制系统当中，单片机作为系统控制的核心元件需要进行一些算法计算，同时还要完成信息的输入与输出。而单片机所具备的各项功能也决定了控制系统能够满足的所有功能。上世纪70年代以后微型计算机才得以诞生，并且在集成电路制造工艺不断更新与完善之后，微型计算机的功能也越来越强，同时性价比也越来越高。另外电力电子技术的出现也带动了高速电子设备性能的发展。所以市面上普遍利用微机对电机进行控制，从而实现电机不同性能的调整与控制，使得电机的所有功能得到了充分运用，使电机的性能更加一致。科研人员按照人民的工作需要，生产出了具备各种能力的电机，这无疑提高了电机控制技术。对一些简单的电机微机电路系统设计，只需要在微机上安装继电器以及开关元件对电路的通断进行控制即可。而当前机床设备的流水线生产过程中，已经将基于微机的可编程控制器进行大量投入使用，根据规律对各类电机的动作进行控制。关于电机控制，需要对电机的电流、电压等进行调控，让电机遵循系统发出的指令进行工作。通过微机控制之后,能够大幅度提高电机性能。传统的直流电机或者交流电机，都有着明显的缺点，比如说直流电机虽然具备机械转换器，能够实现电机速度的控制，但其具有机械磨损以及换向火花的问题。而交流电机具有直流电机无法具备的结构优势,并且性能比直流电机更稳定，但在固定频率的电网中运行的时候，其速度调节无法满足经济性要求。通过微机来满足电机调速需要的，并设计出数字化控制的调速系统是当前电机调速控制系统设计研究的主要研究方向。自从上世纪80年代之后，各国的电力公司都纷纷推出了自己自创的数字调速转动系统，因为流量控制技术的快速进步，晶体管成为了主要的功率部件。相位控制方法以及功率整流方法都是市面上常用的调速控制方法，尤其是对于需要利用微机的智能控制系统，对于直流调速装置的精度要求以及性能要求都要更高。而数字直流调速单元因其出众的性能受到了电子市场的普遍欢迎。1.2.1国内研究现状李玮等人[1]提出了以8089单片机作为主控系统的新型的全数字式直流调速系统。彭代欣[2]提出了一种基于52单片机的PWM直流电机调速系统，该系统通过外附红外传感器能够直接的对直流电机的转速进行测量，借助C语言进行程序编写，从而对主控系统进行控制，通过实验可以知道该系统的性能符合设计标准，可以满足设计要求。赵剑曦[3]学者主要对模型车的小型调速系统进行了深入研究。此系统选择了MC9S12DG128B单片机，借助PWM技术，对电机进行控制。该系统实现了电机的起动、运行、换向、制动、停止等控制。该调速系统具有实用性强、性价比高、结构简单、功耗低等特点。周金明等人[4]研究了单励磁直流电动机大范围运行时的全局速度控制问题。首先对电机进行了两个局部建模，当转速低于基速时为线性模型，当磁场减弱得到远高于基速时为非线性模型。然后对线性模型设计线性鲁棒状态反馈控制器，对非线性模型设计自适应backstepping控制器。考虑了电枢和磁场电阻的不确定性以及负载转矩干扰。然后利用全局控制方法将局部控制器组合在一起，获得两个局部控制器之间的平滑插值。最后，对所提出的控制器进行了仿真试验。1.2.2国外研究现状R.R.Boudreaux等人[5]认为可以借助模拟控制技术对DC-DC转换器的输出电压进行控制。数字控制实现中的关键问题包括模数转换范围，分辨率和延迟，计算时间和数值精度。并且使用Matlab和Simulink软件进行仿真建模。实验结果表明了模拟模型的效果很好。CPHenze等人[6]介绍并分析了一种输入电流为正弦的交直流电源调节器。使用了两个控制回路。内部量化增益电流程序环路采用可变迟滞来提高抗噪声能力。数字比例积分控制通过调节电流程序回路的增益来提供输出电压调节。RRShamshiri等人[7]首先利用基本物理学原理推导了直流电动机机电特性的线性微分方程，以模拟输入和输出之间的关系(传递函数)。该传递函数用于分析系统的性能，并设计合适的控制器(滞后补偿器和PID)以满足设计准则。KMRaza等人[8]提出了采用PWM方法来满足直流电机的速度控制的所有要求。基于PWM的速度控制系统由电子元件(集成电路、传感器等)组成。这篇文章主要借助PWM对直流电机速度进行控制。采用集成电路，配合光电耦合器检测直流电机的速度。整流电路是给电路和电机供电的电路。本文表明，在不使用昂贵的元件和复杂的电路的情况下，可以有效地实现对小型直流电机的精确控制。MGeorge[9]讨论了利用斩波电路实现SEDM的速度控制。并与采用传统控制器的传统控制系统进行了性能比较。整个系统的建模使用MATLAB进行仿真。据相关研究数据可以知道，NARMA-L2控制器能够实现对置换电流的控制。TAbubokar等学者[10]利用智能软件进行仿真测试，明确直流电机的转速性能控制。本文的目的是解释结合非线性控制（电枢电压和励磁电流）和(PID)控制器来控制直流电机速度的原理。在励磁控制模式下，电枢电压保持恒定，并且向励磁施加可调电压。采用MATLAB/Simulink建立直流电机仿真模型。MKelemen等人[11]首先介绍了直流电机的数学模型。在控制器的设计中使用了两种方法：频率整形和PWM控制，使用Matlab/Simulink软件模拟和比较这两种方法，从而明白使用该控制方法的优劣势。1.3本文主要研究内容这篇文章主要以51系列单片机作为控制芯片，以PWM直流电机调速系统为研究对象，进行系统设计与研究。同时还阐述了硬件电路与软件编程之间的差别，探究了以下几方面内容：（1）对直流电机调速系统的结构与原理进行系统研究，并结合本课题的具体情况设计出合适的基于单片机的直流电机调试系统。（2）探究直流电机调速系统软硬件系统的设计；分析系统开发环境的必要条件，明确系统设计的具体步骤。（3）利用相关软硬件平台进行系统算法测试，然后把得出的结果进行分析与讨论。第2章直流电机调速系统设计及其原理现如今我国对于直流电机调速的技术研究越来越完善，并且因为直流电机调速系统可以应用到社会生活种的各个领域中，所以对其的研究有着很强的研究价值，因此本章主要对以单片机为控制核心的PWM直流电机调速系统进行研究，然后对系统的设计思路和运行原理进行系统的探讨。2.1直流电机的结构发电机以及电动机是直流电机的两个重要结构，直流电动机的工作原理是将电能转变为机械能；而发电机则是将机械能转换成电能，其结构如下图2-1所示：图2-1直流电机结构图通过观察上边的结构图可以发现，直流电机主要由转子和定子组成。在定子与转自之间有一个空隙，在电枢铁心上边置放一组电枢绕组，这个电枢绕组的手段与末端之间分别连接到两个圆弧的铜片上边，该图片也叫换相片。为了设计过程更加保险，两铜片之间是必须完全绝缘的，满足完全不导电的要求，并且可以将换向器设置在两铜片的连接点上。换向器会固定在直流电机的转轴上，同时与转轴直接也是相互绝缘的。在换向片上边还会有一对固定的电刷，其主要负责的就是当电枢在发生转动的时候，可以与外界电路接通。直流电机主要是利用磁场作用来产生动能，磁场指就是磁极铁芯周围缠上一层线圈，发电过后会在线圈周围产生一定的作用力，而产生这些作用力的就是磁场。2.2直流电动机的工作原理接下来着重讲述直流电动机的工作原理。实际的工作原理可以见图2-4：图2-4直流电动机的物理模型根据直流电动机模型图可以得到，受到电动机内部磁场的影响之后，导体ab从右到左开始受力，但在S端导体受力的方向与ab端相反，呈现逆时针旋转的电磁力矩。比如说电流流经ab电刷的过程当中，电刷a和B将会分别成为电源的正负极，电流还会不断流过电枢线圈。当电枢进行旋转之后，其结构如下图2-5所示：图2-5旋转后的直流电动机的物理模型当原来电机的N机型下的导体ab在旋转之后到了S极下，受力方向也发生了变化，转变成了从左到右的方向，导体CD在旋转之后处于N极下方,这一过程改变了电机受力方向。电磁力会导致电路系统产生一个逆时针方向的电磁转矩。而直流发电机与直流电动机最为相似的一点就是两者都有超过两个的电磁线圈，并且拥有多个磁极。直流电机的目的是实现电能向机械能的转换，如果电机受到外部压力作用，会造成导体中生成电流，载流导体就会导致磁场中出现电磁力。并且可以借助换向器的换向作用，当导体被放置到异性磁极的时候，会对现在导体中存在的电流方向发生改变，这也能保证电磁转矩方向不会发生改变，从而使直流电动机能够进行连续的转动，这样也就能够实现把电能转变为机械能作为输出。2.3PWM直流电机调速原理PWM（PluseWidthModulation）被叫做脉冲宽度调制器，电机内部的脉冲电需要调制器来提供。其中脉冲宽度对于电机的调速性能来说十分重要，电机的转速与平均电压成正比，平均电压越大，转速越高。如果前两者的值过小，导致电机的平均电压变小那么电机的转速就会不可避免的变慢。PWM的电平高低与电机的状态无关，平均电压才是电机转速的主要影响因素。PWM（脉冲宽度调制）能够对模拟信号电平进行数字编码。通过借助高分辨率控制器对方波进行调控，实现对特定信号的编码操作。PWM信号属于一种数字信号。主要原因是在任何时候，直流电源的电流供应只有存在和不存在两种情况。而电源的开关状态以重复脉冲序列的施加过程有关。电源处于开启状态时，会导致电源的负载增加，而电源处于关闭状态的时候，电源负载就会减少。如果带宽满足要求的话，可以利用PWM对任何信号进行编码操作。PWM能够直接实现受控系统的数字信号传输，省去了模数转换这一步骤。以数字形态进行，信号传输能够在一定程度上削弱噪声。噪声也只有在逻辑1~0或逻辑0~1的时候才会对数字信号传输过程造成干扰。因此可以看出PWM的另一个优势就是抗噪优势，因此该技术在通信领域也有着较为广泛的应用范围。PWM进行模拟信号传输的时候能够最大程度的提高通信范围。接收端能够满足高频方波的过滤调制，然后通过网络将信号转换成模拟状态。而该调速系统的电路设计见下图2-6和图2-7所示：图2-6PWM调速系统工作原理图2-7PWM调速系统输出波形其调速原理的占空比公式如公式（2-1）所示：（2-1）公式中的代表的就是对电机施加的电压的变化周期；公式中的代表的就占空比；代表的是在一个周期内电机施加的高电平一直持续的时间；代表的是在一个周期内电机施加的低电平一直持续的时间；如果想要改变PWM脉冲占空比，最常用的几种方法右调频、调宽以及两者进行结合一起调节。2.4系统整体设计思路在本文中我们考虑到直流电机在速度上较为稳定，因此此次设计才选用了51系列单片机，进行单片机设置的时候还需要对PWM进行调试，通过这两方面的结合实现直流电机系统的调速要求。在搭建系统的过程中，要对软硬件系统进行综合设计，为了确保直流电机的速度控制精度满足标准，必须要让系统各个部分都满足性能要求，其系统组成如下图2-9所示：图2-9系统总体构成框图通过上边的系统构成图可以得到通过单片机对电机进行控制，在P答辩人进行信号输出之后，还需要利用改变占空比来对电机速度进行调节，输出端的信号进行处理之后，会转变成控制电机转速的控制信号，而这些部分均为直流电机，调速系统的重要组成部分。第3章硬件电路设计硬件电路的设计是极其重要的，是整个系统能否正常运行的基础，要是硬件电路突然故障，系统运行就会受阻，所以一定要重视硬件电路的设计过程。对于此次研究的直流调速系统的硬件系统设计，需要注意的地方一来是硬件元器件的选型，二来是对整个电路的控制，要在能够满足预先设定的要求的同时还要尽量降低成本。3.1基于单片机控制电路设计此次设计选用的是STC89C52RC芯片，是当前51系列单片机的升级版。它使用MCS-51内核，但具有许多51微控制器所没有的特性。正是因为具备这些使得这款单片机一直被很多人使用。其单片机引脚的示意图如下图3-1所示：图3-1STC89C52RC单片机引脚示意图通过观察上图可以得到，在STC89C52RC单片机中40引脚的VCC指的就是单片机的电源；20引脚的VSS指的是单片机的接地端；9针RST指示微控制器的复位输出，30针ALE/PROG指示地址锁存器ALE在访问外部程序或数据存储器时接受脉冲输出。地址的低8位字节，引脚31上的EA，指示存在外部访问信号时是否允许访问[13]。如果EA处于低电平状态，则允许访问，否则不允许位访问。其中P0至P3的功能如下表3-1所示：表3-1引脚功能表引脚功能P0（P0.0-P0.7）8位漏极开关型双向I/O端口。可以作为通用I/O口使用，但必须加上拉电阻。P1（P1.0-P1.7）内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口P2（P2.0-P2.7）内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口。P3（P3.0-P3.7）内部带上拉电阻的8位多功能双向I/O端口。其时钟电路和复位电路也同样重要，在STC89C52RC单片机的内部存在有一个能够组成振荡器的高效益反相放大器，在其引脚RXD与引脚TXD分别为这个放大器的输入以及输出。如下图3-2所示：（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路图3-2时钟电路图a显示内部模式时钟电路，图b显示外部模式时钟电路。市面上经常选用晶体管与电容器组成的谐振电路作为系统的定时元件。在外部方式时钟电路中，引脚RXD会直接接地，引脚TXD将与外部振荡器相连，并且不会对外部震荡信号产生干扰，只要确保脉冲宽度满足要求即可。复位电路在单片机中有着非常重要的作用，一般包含两部分。外部电路主要负责向触发器发送复位信号，触发器输出信号之前需要在复位电路进行定位采样，这样才能够得到需要的复位信号。复位操作的方式有很多，复位电路如下图3-3所示：（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位图3-3复位信号电路图图a为上电复位，图b为按键电平复位，图c为按键脉冲复位。电源复位主要利用电容复位的充电过程来实现，要想让该过程自动进行，一定要确保电源VCC的上升时间不会超过1ms。而利用按键进行手动复位的方式有电平方式和脉冲方式两种，按键电平复位主要通过在复位端和电源之间安装电阻来实现，按键脉冲复位主要是利用RC差分电路为复位电路提供正脉冲来实现。3.2电机驱动电路设计本文使用的电机驱动模块是L298N模块，该模块能够同时满足高电压以及强电流工作环境下稳定工作的电机驱动模块。该模块的特点是：工作电压较大，最大时可以达到46伏，并且输出电流也很大，最大峰值电流能达到3A，而正常工作的时候，电流值也在2A左右，并且额定功率为25瓦。此模块的作用就是用来给直流电机等电力设备提供动力。其原理图如下图3-4所示：图3-4L298N驱动原理图通过观察其原理图可以得到这个模块中所具备的电容其作用是为了滤波。VCC代表的是L298N芯片供电5V，此模块需要外接，此处接地时最好取逻辑部分的电压供电；D1-D8代表的是续流二极管；VIN指的就是电机供电的电源接口，要是电机是用9伏电源进行供电的，那么就将VIN与电源正极相连，GND与负极相连。必须要知道的是如果L298N的充电电压达到了5伏，如果要更换电源供电方式，使得供电电源与单片机电源分开，就必须实现GND的相互连接，这样才能够满足单片机逻辑信号必须具备参考零点的要求。其L298N模块在控制直流电机时，接收的信号与输出的信号都十分重要，其输入输出关系如下表3-2所示：表3-2L298N输入输出关系ENAIN1IN2电机运行情况0XX停止110顺时针101逆时针000停止011停止当L298N驱动模块控制直流电机时，其如下图3-5所示：图3-5L298N控制直流电机通过观察上图可以发现L298N模块可以当收到单片机的信号时，进行分析处理从而能够实现控制直流电机的功能。3.3调速系统供电电源电路设计本文设计的调速系统中单片机电源电压需要的是5V，但是驱动模块中所需的电压是12V，所以本文设计的调速系统的电源电路能够同时提供5V以及12V电压，所以在设计电源电路的时候需要实现不同电压输出的线性直流电源。所以本系统中使用双路直流稳压电源。双路是指电源有两路独立输出，所以双路直流稳压电源指的就是有两路独立输出的直流稳压电源。其电路原理图如下图3-6所示：图3-6双路直流稳压电源的电路原理图双路输出电流稳压电源的优点是在于针对固有的传统直流稳压电源，双路输出电流稳压电源使用了双向通道进行输出直流电源，因为它是通过内部整合使交流电源变成了直流电源，从而使变压器的利用率变高，同时这个结构可以广泛应用到各个场所中，所以此次设计就选择该模块当作直流电机调速系统的电源模块。3.4测试模块电路设计采用光电传感器测量电机转速，在电机轴上端安装纸卡，纸卡上留有两个孔。每当电机轴转动时，发光二极管发出的光通过纸卡上的一个孔到达接收二极管，接收二极管就可以产生相应的脉冲信号。统计1秒内输出的脉冲信号个数，取计数结果的一半，求出电机的转速。光电传感器接线图如下图3-7所示：图3-7测速模块原理图3.5PWM信号发生电路设计PWM（脉冲宽度调制）系统是通过控制不同的参数来实现对电路的控制。与其他控制方式相比，PWM控制技术具有操作难度相对较低、运行周期相对较短、数据结果相对稳定等诸多实际优势，因此在工业生产中也得到广泛应用。PWM技术没有地域性，关键是理解控制思想，理解开关控制。利用PWM技术的控制时间差异，通过改变电压的比值来完成PWM信号的变化，PWM的变化体现在直流变化上。PWM信号可以通过STC89C52RC编程实现，本设计采用的调速方式为恒频调宽方式，即固定脉冲信号的频率（周期），调节电压增大脉冲的宽度。电平状态改变脉冲信号占空比的时间（一个周期内高电平状态的电压值占一个周期的百分比）电机电枢两端的平均电压值，从而达到调速的目的直流电机的调节。其直流电机PWM调速系统的电路原理图如下图所示：图3-8直流电机PWM调速系统的电路原理图第4章系统软件设计本文设计的基于51单片机的直流电机调速系统在硬件电路设计完成后还需要设计系统的软件部分。系统程序主要由三部分组成：主程序、中断程序和控制过程的其他程序。其中，主程序的作用是改变电压实现速率常数值的占空比，中断程序主要是提高系统效率，维持系统正常运行，满足实时处理。它提供了需求和错误处理方法，一个可以随时中断的程序，需要对采集到的数据进行分析，最终在PWM信号波形发生变化时得到电机转速。4.1系统程序设计4.1.1主程序设计在设计软件的时候，最重要的是要实现对电机转速实现控制，而如何对电机转速实现控制，就需要进行程序编程，所以主程序的设计就显得尤为重要。其系统流程图如图4-1所示：图4-1主程序流程图通过观察图4-1可以得到，本文设计的直流电机调速系统使用的是AT89C52RC型号的单片机作为控制器，通过PWM信号发生电路、L298N驱动模块安装在直流电机轴上边固定的霍尔传感器实现对直流电机转速的测量。本文通过PWM信号所引起的在直流电机上边的变化来实现信号的变化，然后能够对直流电机进行测速，并且对测量到的速度进行记录，并且使用滤波器对其信号进行解压来发快电机信号，最后通过数模转换的芯片把转换后的数据信号发送到单片机上边，在内部程序中循环控制最终实现对直流电机进行调速。4.1.2PWM信号发生程序设计PWM(PulseWidthModulation)，即脉宽调制。利用微处理器的数字输出来控制模拟电路是一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、电源控制、转换等诸多领域。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。它使用高分辨率计数器来调制方波的占空比，以对特定模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的。这是因为，在任何给定时刻，满量程直流电源要么完全存在(ON)，要么完全不存在(OFF)。电压或电流源以ON或OFF的重复脉冲序列施加到模拟负载。开启时，将直流电源添加到负载，关闭时，移除电源。如果您有足够的带宽，您可以使用PWM对任何模拟值进行编码。大多数这些负载，无论是电感性还是电容性负载，都需要高于10Hz的调制频率，通常为1kHz至200kHz。而PWM产生的信号我们用锯齿波来表示，因此锯齿波能够很好的表示出信号变化的规律相较于其它波形。PWM信号在产生时主要的波形变化是由于占空比不同导致波形也会有很大，同时在一个周期内其波形的变化是固定的。它的作用如下图4-2所示:图4-2产生PWM信号时的电路波形产生PWM信号时波形的发生过程如下图4-3所示：图4-3产生PWM信号时波形的发生过程4.1.3延时程序设计每个程序都需要有自己的延时程序才能保证程序能够顺利运行，一般是使用单片机的晶振和机器周期进行延时程序的编写在延时过程的编程需要使用for程序进行嵌套。因为系统设计中选用了PWM电路具有能够保证时间和转速稳定，因此能够适用与直流电机调速控制系统中。本文设计的直流电机调速系统适用L298N驱动模块结合51单片机发生PWM信号从而达到控制电机进行调速控制等操作。PWM电路的H型又保证转速稳定的前提下结果的稳定性，也同样被高频率的适用于控制系统中，本文设计的延时程序流程图如图4-4所示：图4-4延时程序流程图4.2系统调试当本文设计的软件程序与硬件电路相结合之后，需要对系统进行调试。保证能够顺利实现直流电机的调速系统的实现。4.2.1软件调试软件测试对每个系统都是必要且极为重要的一个步骤，因为软件测试主要是针对目前研发的直流电机调速系统是否能够正常运行进行测试，如果在测试过程中出现一些问题，那么就需要及时的对这个系统进行调整以达到预期执行的结果；软件调试需要从软件设计的最开始就进行，如果在系统全部完成才开始进行调试，那么调试的复杂难度会很高，如果在设计中的每一步都带有检测调试，那么既方便快捷，又省时省力。本论文主要由硬件和软件两部分组成，其中52台单片机是硬件的核心，是整个论文执行的基本保障，为计算和计算提供了最直接的功能。软件部分的操作。软件部分是对从硬件部分得到的数据进行分析，也是论文硬件部分结果的实现，经过对数据的分析对比，分析单机直流电机的调速效果。在论文的仿真中选择Proteus，先画出并查看整个过程的电路图。观察有无缺陷，如果编程语言能正确运行，则生成模拟文件，并将这些模拟文件发送到系统进行方舟，验证从论文中得到的数据是否正确。4.2.2测速软件设计电机驱动芯片的关键是由7个程序组成，这4个驱动相互限制，每一步的测试结果相互影响，通过控制4个驱动电路中的每一个，定时器测量单位时间内的脉冲数。然后计算电机的转速，最后通过显示器显示电机转速。其测试程序流程图如下图4-5所示：图4-5测试程序流程图通过观察上图4-5可以得到，测试电机的体现主要通过程序的编写和图像的显示来确定。第5章系统仿真调试本章是将本文设计直流电机调速系统进行仿真调试，为的就是能够确保设计的系统能够正常运行。5.1仿真调试软件选取5.1.1编程软件选取本文使用的STC89C52RC单片机需要使用C语言程序编程才可以对单片机进行控制，而编程C语言需要的软件便是KeilC51,这个软件是由美国的一个名为KeilSoftware的公司为51系列单片机开发编写了C语言软件开发系统。汇编语言是所有编程语言中最低的，在通用特性和结构上都比C语言有优势。Keil公司提供完整的开发解决方案，包括通过集成开发环境(Vision)组合的C编译器、宏汇编器、链接器、库管理和强大的仿真器调试器。C51工具包的整体结构由Vision和Ishell组成，这是C51的Windows集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、链接、调试、仿真的整个开发过程。开发人员可以使用IDE本身或任何其他编辑器来编辑C或汇编源文件。然后它编译C51和C51编译器以生成目标文件(.obj)。在LIB51中可以创建目标文件来创建库文件，也可以与库文件链接以创建绝对目标文件(.abs)。abs文件由OH51转换为标准hex文件，可与调试器dScope51或tScope51一起用于源代码级调试，也可用于直接在仿真器中调试目标板。它被写入程序存储器，例如EPROM。KeilC51生成的目标代码非常高效，大部分句子生成的汇编代码简洁易懂。在开发大型软件时，可以更好地体现高级语言的优势。C语言在功能、结构、可读性、可维护性等方面都优于汇编语言，易于学习和使用。5.1.2硬件电路仿真软件选取因为硬件电路如果直接进行实物的焊接可能会出现很多问题，所以需要先进行仿真调试，以便能够及时找出问题，当在仿真软件上边能够实现预先设定的功能时，在进行实物焊接更具有效率。本文选用的proteus软件进行硬件电路仿真。Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司发布的一款EDA工具软件（该软件在中国的总代理为广州峰标电子科技有限公司）。它可以模拟微控制器和外设，并具有其他EDA工具软件的模拟能力。一个更好的模拟单片机和外设的工具。国内推广才刚刚开始，但受到了MCU爱好者、从事MCU教育的教师、致力于MCU开发应用的科技从业者的好评。从原理图布局、代码调试到MCU与外围电路的协同仿真，再到一键切换到PCB设计，一个从概念到产品的完整设计栩栩如生。全球唯一集电路仿真软件、PCB设计软件、虚拟模型仿真软件于一体的设计平台，处理器型号有8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086等和MSP430。2010年增加了Cortex和DSP系列处理器，其他系列处理器型号继续增加。编译方面，支持IAR、Keil、MATLAB等多种编译器。Proteus上可用的模拟组件资源：模拟数以千计的组件，例如数字和模拟、交流和直流，并拥有一个包含30多个组件的库。Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。同时Proteus可提供的调试手段Proteus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。5.2系统仿真调试结果在Proteus中画出系统原理图，包括单片机、直流电机和电流放大器的最小系统。对电流放大器、D锁存器、4位数码管等一系列按键开关的电气规律检查，本文的主要目的是对成熟控制系统中常用的89C51单片机控制的PWM信号进行参数化，并使其是通过控制常用的直流电机的速度本设计中直流电机的驱动芯片模块采用专用L298N芯片结合单片机产生PWM信号和直流电机控制系统，完成电机的正反转控制、调速等等。其仿真结果如图5-1所示：图5-1系统Protel仿真初始状态图当按下递增/递减按钮时，系统会提供准确的响应。同时在初始LED数码管上会有实时显示一遍又一遍地重复的图像。当然，锯齿波的发射也存在一些问题，锯齿波只是对电容充放电方式的另一种解释，可以定量控制，为电容加装开关。输入和终端开关的输入和输出被调整以控制电容器，产生的波形统称为初始状态图，其正转时如图5-2所示：图5-2系统Protel仿真正转按下反转键后，看到电机缓慢的改变方向，同时，速度被LED显示出来，是逐渐变化到稳定状态的。其反转时如图5-3所示：图5-3系统Protel仿真反转第6章结论本文研究设计了一种基于51单片机的PWM直流电机调速系统。对系统进行程序编写以及硬件设计，这篇文章主要使用了STC89C51单片机传输PWM信号，然后控制直流电机的转速，最终在最后进行了仿真实验，实验证明该系统能够很好的对直流电机进行调速。而本文已经重新根据需求设计了一套直流电机调速系统，并且对其硬件电路进行了设计，同时对单片机等电子元器件进行选型，然后对系统软件程序进行设计同时调试，调试结果满足实际需求。通过应用单片机产生PWM信号，并且把信号输入到了L298芯片中，从而达成控制直流电机转速的目的，还能将直流电机的转速进行调节，调节到之前设置的速度。电路系统的逻