电机控制直流电机的转速毕设正文剖析.docx

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电机控制直流电机的转速毕设正文剖析

引言

直流电机是最常见的一种电机，具有很好的起动、制动和调速等功能。

现今，直流电动机被广泛的应用于生产和生活的各个领域，为人们的生产和生活提供便捷。

传统的调速具有功耗大，调速困难，易随温度产生漂移，热损耗大等诸多缺点。

为了改善这些缺点，使直流电机的调速更加趋于完善，本设计采用基于单片机的PWM控制技术对直

流电机进行控制。

PWM是一种新的电机调速方式，是针对脉冲的占空比进行调制的一项技术，以往的调节方式大致分为以下三种：

（1）固定脉冲宽度而调节频率

（2）同时调节脉冲宽度与频率（3）固定脉冲频率而调节脉冲宽度。

这三种方式中，前两种在操作时都得改变脉冲的周期，这样做经常会使系统出现共振的现象。

因此，我在本设计中采用固定脉冲频率而调节脉冲宽度的方法来获得所需要的驱动电压。

这种调节方法有开关

频率高（仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流），低速运行稳定、动态性能优良、效率高（开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小）等优点，在电机调速中被广泛使用。

用单片机对直流电机进行控制具有准确性和可操作性。

本设计采用的单片机是AT89S52,是一款8051增强型单片机，具有优良的控制性能。

本设计为基于单片机的直流电机的调速系统设计，其中选择直流电机为被控对象，采用51单片机完成对直流电机的转速的控制。

本设计从硬件和软件两部分进行设计，硬件部分主要完成驱动电路，显示电路，键盘电路的设计。

1绪论

1.1课题研究的目的与意义

现如今自动化控制已经被人们所熟知，并且得到了广泛的应用。

随着科学技术的不断进步，自动化控制也取得了飞跃性的发展。

因为直流电机是自动化控制的主要被控元件，所以它在现代化的工业生产中占据着不可替代的位置。

直流电机因其较强的控制能力和良好的线性特性，被多数闭环控制系统所采用。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础。

由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着单片机技术的日新月异。

使许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。

本设计是将单片机技术应用于直流电机控制系统中，实现对直流电机速度的调控。

现今人们把微处理器作为实现对直流电机控制的首选，因为微机控制一方面使系统完全数字化，另一方面还可以提高系统的可靠性。

简单的微处理器所控制的电机，仅仅是用微处理器来实现使电路开通或关断的功能，从而实现对电机的控制。

复杂的微处理器所控制的电机，要通过对电机的电压、电流和转速的控制，命令电机按给定的指令运行。

如今这些都已经不再是难题了，我们可以对可编程控制器进行编程，就可以直接对电机进行控制了，在很大程度上提高了电机的性能。

各种控制方法也如雨后春笋一样，随着微处理器的功能不断完善而应运而生。

在一般的电机控制方法中，存在电机工作不易稳定，损耗大等诸多缺点，从而不利于大范围的应用。

因此设计出低成本，低功耗，控制方便，精度高，可靠性较高的直流电机控制系统，是本课题的研究方向。

1・2课题研究背景与现状

1.2.1直流电机调速系统发展与应用

19世纪前后相继诞生了直流电气传动和交流电气传动。

直流调速具有调速平滑且范

围广，可以快速启动、制动和反转等优点。

所以至今为止，直流调速系统仍是调速系统的主要形式。

最初的直流电机控制系统通过改变电枢回路中的电阻来实现电机的转速。

这种方法简单易行，价格低廉，设备制造方便。

但缺点是机械特性软、效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前使用的范围并不广泛。

自从1957年，第一只晶闸管研制成功后，晶闸管-电动机控制系统成为直流电机控制系统的主要形式。

自70年代以来研制了多种全控式电力电子器件，日渐形成应用广泛的PWM装置-电动机控制，简称PWM控制系统或脉宽控制系统。

随着单片机功能的不断加强，价格的不断降低以及数字控制技术的飞快发展，给直流调速控制装置由模拟化转向数字化打下了坚实的基础。

此装置不仅结构简单，还可以通过更改软件设计来实现不同的控制要求。

随着我国经济和科学技术的迅猛发展，很多场合都已经采用了直流电机PWM调

速系统来进行调速。

大到导弹、雷达、宇宙飞船，人造卫星，小到汽车的自动门窗，遥控模型等都离不开直流电机调速系统。

1.2.2直流电机特性

直流电机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，是电力拖动控制系统的主要执行元件，在高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用。

新型调速装置和控制技术的不断涌现，使控制方式数字化、网络化成为发展的必然趋势。

近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，导致采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制方式已经成为了控制领域的绝对主流。

这种控制方式操作简单，很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。

一个好的直流电机，应具有极好的控制性。

理想的直流电机控制系统响应速度快,稳定性好，有很强的抗干扰能力，并且要有很高的性价比。

从整体来说，直流电机具有干扰小、噪音低、功耗小、效率高、寿命长等诸多优点。

本设计对于电机的可控性能要求较高，直流电机通常都是数字变频控制，可控性较强，调速方便。

所以选用直流电机作为控制系统被控对象。

1.3课题研究内容

现如今，电机在各行各业中都发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而测量电机的转速，调节电机的速度，使它满足人们的各种需要，显得更为重要了。

随着科技的发展，PWM调速成为电机调速的新方式，并凭借它的开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等诸多优点，在电机调速中被普遍运用。

利用单片机对直流电机进行直接的控制具有准确的自动调节作用。

本课题采用单片机作为主控制器件，主要完成直流电机调速系统的设计，实现对直流电机的控制，具体研究内容如下：

1、学习直流电机的工作原理，搭建直流电机控制系统。

2、针对直流电机控制系统进行调研并确定系统设计方案。

3、选择传感器和变换电路，构成速度检测电路。

4、使用场控制器件构成H桥，实现直流斩波调速系统。

5、完成系统的硬件设计，其中主要完成主电路、驱动电路、显示电路、反馈电路等设计，通过单片机控制电路、驱动电路等模块实现对电机转速的控制。

6使用单片机技术研究，实现相应的调节器，实现速度闭环控制。

7、进行系统软件设计，采用模块化的设计方法，应用C语言进行编程。

8、通过实验进行软、硬件验证和系统调试，实现整个系统的设计。

1・4论文主要内容和结构

本设计论文共5章，具体内容和结构安排如下：

第1章绪论，主要阐述课题研究的目的与意义，研究的背景与现状，研究方向以及研究的主要内容和结构。

第2章主要介绍了设计的方案及各方案的比较。

第3章主要是系统硬件设计，详细介绍了具体硬件电路元器件参数的选择以及具体电路的设计。

第4章主要是系统软件设计，介绍了系统主程序的设计思路以及系统各部分功能在软件中的实现。

第5章主要是试验与系统调试，主要介绍了试验具体情况并且对实验数据进行分析。

2直流电机调速的方案设计

2.1设计思路

直流电机PWM控制系统的主要功能包括：

实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转、停止和复位，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。

主体电路：

即直流电机PWM控制模块。

这部分电路主要由AT89S52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，能够很方便的实现电机的智能控制。

其间是通过AT89S52

单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到驱动模块来控制直流电机工作的。

该直流电机

PWM控制系统由以下电路模块组成：

设计输入部分：

这一模块主要是利用独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转、停止和复位进行控制。

设计控制部分：

主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。

直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管直流电机驱动模块组成。

设计显示部分：

LED数码显示部分，实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示。

2.1.1直流电机调速系统的整体方案设计

直流电机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，是电力拖动控制系统的主要执行元件。

新型调速装置和控制技术的不断涌现，使控制方式数字化、网络化成为发展的必然趋势。

直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制控制方式已成为绝对主流。

这种控制方式很容易在单片机控制中实

现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。

目前，直流电机控制技术已经日渐成熟，随着科技的发展社会的进步，对于直流电机的控制要求越来越高，不同的设计的方案各有利弊，本人着重实用性、普遍性以及通用性等方面设计出一种基于单片机控制的直流电机调速系统。

具体功能设计如下：

1、通过软硬件结合完成对直流电机实时转速的显示。

2、禾U用单片机编程实现电机的启动、复位、停止、加速、减速、正转和反转等几个工作模式。

本系统整体框架如图2-1所示，整个系统由电源、主控制电路、显示电路、键盘电路、驱动电路、反馈电路和直流电机等组成。

图2-1系统整体框架图

2.2具体方案设计与比较

2.2.1电源的选择

AT89S52形单片机给定的工作电压为5V，数码管供电电压为5V。

由于所做的设计不需要很高的精度要求，结合这个电源分析，只要给系统5V的电压基本上就能输出显示和运行。

该方法方便简单又实用。

2.2.2控制器模块

控制器主要功能是用于控制各模块的运行。

本设计采用ATMEL公司生产的

AT89S52作为直流电机调速系统控制器。

AT89S52的运算处理功能强大，软件编程简便易懂，可以实现各种算法以及逻辑控制等功能。

由于它的功率损耗低、占用空间小、投入成本低等诸多优点，使其得到了大众的认可，被广泛的应用于生产和生活的各个方面。

2.2.3键盘的选择

键盘是必不可少的输入设备，用于实现人和机器的交流。

键盘按结构形式可以分为两种，一种是非编码键盘，另一种是编码键盘。

前者是硬件的键盘和键码，而后者则是利用软件编程的方法来产生虚拟的键码。

一般我们选用的都是第一种非编码键盘，因为它的结构简单，成本低，操作简便。

非编码键盘的种类繁多，常用两种是独立式键盘和行列式键盘。

键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1

其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过H型桥式电动机控制

电路，实现电动机转向与转速的控制。

电动机的运转状态通过数码管显示出来。

每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。

方案1:

独立式键盘

独立式键盘的按键数是根据所使用的I/O口线的根数来确定的。

这种键盘的按键比较少，且各按键是独立存在的，所以它们的工作也是独立的，互不影响。

在本设计中使用了7根I/O口线，因此键盘就设计了7个按键，我们可以根据实际情况灵活编码，对键盘的各种功能进行控制。

如图2-2。

TAP2

图2-2独立式键盘

这种键盘的缺点是占用的I/O口线比较多，当设计的按键较多时就很麻烦了，所以独立式键盘适用于按键较少的场合。

方案2:

行列式键盘

行列式键盘是用I/O口线作为行和列所组成的键盘，键盘的行数为M，接P1.0~P1.3,列数为N，接P1.4~P1.7o在每个交叉点上，设置一个按键个数是M*N的键盘。

这种键盘可以提高单片机系统中I/O口线的利用率。

这种键盘适用于需要的按键较多的场合。

在大多数情况下，当键盘输入数据时，为了确保得到及时的响应，可以采用中断方式，只要有按键闭合就会产生中断请求，CPU进行确定后将对键盘下达相应的指令，确保正常工作。

如图2-3所示。

依上所述，因为本设计所需按键少，且各个按键的互不影响，所以采用独立式键盘进行数据输入。

224显示模块

显示模块的主要作用是显示电机的实时转速。

LED数码管和LCD液晶屏幕均可以

用于显示电机的转速。

LED数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，通过对其不同

的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字。

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳极数码管在应用时应将公共极

COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对P2.0-P2.3位选通COM端电

路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使

各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

液晶显示器的有以下特点：

（1）液晶显示屏是以若干个5X8或5X11点阵块组成的显示字符群。

每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。

（2）主控制驱动电路为HD44780（HITACHI）及其他公司全兼容电路。

（3）具有字符发生器ROM可显示192种字符。

（4）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5X8点阵字符或4个5X11点阵字符。

（5）具有80个字节的RAM。

（6）模块结构紧凑，轻巧，装配容易。

（7）单+5V电源供电。

（8）低功耗，长寿命，高可靠性。

虽然液晶屏有方便和显示速度快等优点，但其价格较贵，而数码显示在价格方面较为适合，而且利用数码管完全可以实现显示低转速的电机的转速。

所以本设计选用一组4位八段数码管，用动态驱动来显示电机的实际转速值。

如图2-4所示。

P0

图2-4显示电路图

225驱动模块

直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。

电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

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PW碉速技术。

本系统采用双极性脉宽调制，原理如图2-5所示，其中Q1、Q2、Q3、Q4为作开关用的大功率晶体管，工作在截止和饱和状态Q1、Q4与Q2、Q3轮流导通与截止，ER1、ER2、ER3、ER4为续流二极管。

假设开始时，Q1、Q4处于导通状态，Q2、Q3处于截止状态。

当Q1、Q4由导通转向截止，Q2、Q3由截止转向导通时，流过电枢的电流迅速下降，电枢电感L产生很大的自感电动势，阻止电流下降。

当电动势增大到一定程度后，ER2、ER3导通续流，而且可以保证Q1、Q4受到的过压不太大，如果没有续流二极管Q1、Q4就有可能被击穿，同样ER1、ER4用来保护Q2、Q3。

晶体管从导通到饱和，从饱和到导通都需要一定的时间，所以加在一对晶体管的上升沿和另一对晶体管的下降沿必须错开一定的时间，以防止四只管子同时导通，所以PWM波必须先经过逻辑延时环节。

同时为了使电机安全工作，必须在电机两端并接电阻和电容，电阻值与电

容的大小与电机的参数以及PWM波形频率有关，可以通过计算得出。

此电路的优点如下：

（1）电流一定连续；

（2）可是电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。

缺点是，在工作过程中4个电力晶体管都处于开关状态，开关损耗大，容易发生上下两管同时导通的事故，降低了装置的可靠性。

为了防止这种情况的发生，在一组关断一组导通的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时，即一组导通则另一组必须关断。

图2-5驱动电路

PWM电路由复合体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：

根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。

4个二极管在电路中起防止晶体

管产生反向电压的保护作用，防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大起到保护作用。

在实验中的控制系统电压统一为5v电源，因此若复合管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V。

通过P20输入高电平信号，P21输入低电平，电机正转；通过P20输入低电平信号，P21输入高电平，电机反转；P20、P21同时为高电平或低电平时，电机不转。

通过对信号占空比的调整来对电机转速进行调节。

由上述讨论可知，晶体管是最为廉价的控制方法，但在晶体管上有明显的压降，会产生功率的损耗，效率不高，适宜应用在低电压，小功率的场合。

本设计的电机属于小功率直流电机，H桥式驱动电路就足以驱动，且价格便宜，故而本设计米用H型桥式电路作为小功率直流电机的驱动模块。

226PWM控制

PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。

通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。

PWM的定义:

脉宽调制（PWM）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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

由于电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比a1时，电机转速最大。

PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形，或通过时序模拟输出，最

适合电机的调速。

我们使用的是AT89S52单片机，它是8位单片机，频率最高达到24Hz,可提供2路PWM直接输出，频率可调，占空比8级可调，控制电机的调速范围大，使用方便。

AT89S52单片机有32个I/O口，内部设有2个独立的计数器，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出，用以控制电机调速。

所以本设计采用PWM波调整电机的速度。

基于单片机由软件来实现PWM:

在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压Ud不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。

改变占空比D的值有三种方法：

A、定宽调频法：

保持t1不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。

B、调宽调频法：

保持t不变，只改变tl，这样使周期（或频率）也随之改变。

C、定频调宽法：

保持周期T（或频率）不变，同时改变tl和to

前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。

利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。

2.2.7模块的最终方案

主控制器模块：

采用AT89S52单片机控制。

显示模块：

数码管显示。

电源方案的选择：

采用5V电池供电。

键盘模块：

7个按键的独立式键盘。

驱动模块：

采用H型桥式驱动电路。

速度调节：

PWM波调速。

3硬件电路设计

3.1AT89S52单片机介绍

3.1.1AT89S52主要性能

AT89S52是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，片内含8KB（可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度，非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。

因此，AT89C52是一种功能强，灵活性高且价格

合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域。

如图3-1。

AT89S52具有以下主要性能：

1.8KB可改编程序FLASH存储器；

2.全表态工作：

0〜24HZ;

3.256X8字节内部RAM;

4.32个外部双向输入，输出（I、O）口。

图3-1单片机芯片管脚图

3.1.2AT89S52单片机引脚说明

表3-1AT89S52单片机引脚说明

功能

引脚（Pin）

符号名称

说明

主电源引脚

40

VCC

电源输入引脚，+5V

20

GND

接地引脚

外接日日振引脚

19

XTAL2

片内震荡电路输入端

18

XTAL1

片内震荡电路输出端

控制引脚

31

EA/VPP

程序存储器的外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，接咼电平则从内部存储器读指令

30

ALE/PROG

地址所存允许信号

29

PSEN

外部存储器读选通信号

9

RST/VPP

复位引脚

可编程输入、输出引脚

39-32

P0.0-P0.7

8位双向I/O口线，P0口

1-8

P1.0-P1.7

8位准双向I/O口线，P1口

21-28

P2.0-P2.7

8位准双向I/O口线，P2口

10-17

P3.0-P3.7

8位准双向I/O口线，P3口

引脚功能说明如下：

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据线复用口。

作为输出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端。

在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：

P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序储存器或16位地址的外部数据储存

器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。

P3口：

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

作为输入口使用时