基于单片机的直流电机控制系统.docx

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基于单片机的直流电机控制系统

摘要

本设计首先介绍了AT89S52单片机，L298驱动电路及直流电机的基本原理与功能；其次,设计直流电机实现转向、速度的控制方案；再次，在这些器件功能与特点的基础上，拟出设计思路，构建系统的总体框架，并利用LED数码管对测试结果进行显示；最后利用Proteus软件绘出电路图，同时写出设计系统的运行流程和相关程序。

整个系统通过写入单片机中的程序分配好控制字的存储单元以及相应的内存地址赋值；启动系统后，从单片机的I/O口输出控制脉冲，经过L298驱动电路对脉冲进行处理，输出能直接控制直流电机的脉冲信号。

本系统采用了低成本的AT89S52单片机芯片作为控制芯片，以按键做为输入达到对直流电机的启停、速度和方向的精确控制。

直流电机的驱动采用的是达林顿集成管L298，并且采用LED的进行显示。

在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

总之，本次设计出了操作简单、显示直观的直流电机控制系统。

关键字：

AT89S52单片机；L298驱动芯片；直流电机。

Abstract

ThedesignfirstintroducedtheAT89S52single-chipmicrocomputer,L298drivecircuitanddcmotorofthebasicprincipleandfunction;Second,thedesignofdcmotortorealize,thespeedcontrolscheme;andAgain,inthesedevicesbasedonthecharacteristicsofthefunctionand,drawupthedesignidea,constructionofthewholesystemframework,anduseofLEDdigitaltubetheresultsshows;Finally,usingtheProteussoftwaredrawcircuitdiagram,atthesametime,writedesigntheoperationofthesystemprocessandprocedures.Thewholesystembywritingtothesinglechipmicrocomputerprogramallocationgoodcontrolofthewordandthecorrespondingstorageunitofthememoryaddressassignment;Rebootyoursystem,fromsinglechipI/Omouthoutputcontrolpulse,afterL298drivingcircuitpulseprocessing,theoutputcandirectlycontroldcmotorofthepulsesignal.ThissystemUSESalowcostAT89S52single-chipmicrocomputerchipascontrolchip,withbuttonasinputtothekeyboardtodcmotoroftherev.Stop,speedanddirectionoftheaccuratecontrol.DcmotordriverusesistheintegrationofL298tube,andusingtheLEDdisplayed.Inthedesign,adoptedPWMtechnologyofmotorcontrol,throughtotheoccupiesemptiescomparedtoachievethepurposeofaccuratecalculationspeed.Allinall,thisdesignouttheoperationissimple,directdisplayofdcmotorcontrolsystem.

Keyword:

AT89S52single-chipmicrocomputer;L298drivingchip;DCmotor.

绪论

1.1直流电机调速系统的发展

直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种:

第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。

这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。

但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。

第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等。

特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。

但发电机—电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。

第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机—电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。

特别是它的系统快速响应性是发电机—电动机系统不能比拟的。

但是汞弧变流器仍存在一些缺点:

维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。

第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。

由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。

晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（1000）高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。

因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。

随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。

计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。

1.2开发背景

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

直流电机的正反转易于实现，这样便于应用于工业，比较典型的起重机，吊机等。

直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

PWM波调速系统系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。

系统性能稳定，广泛应用于工业生活中。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

1.3选题的目的及意义

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。

长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。

由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、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，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，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，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

1.4研究方法

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。

2系统方案设计

2.1概述

以单片机为核心的直流电机调速简介：

单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。

PWM是通过控制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”。

本系统以AT89S52单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析：

本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以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为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。

本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。

2.2总体设计任务

任务:

以单片机为控制核心的PWM直流电机调速系统的设计，主要内容包括：

（1）直流电机的正转；

（2）直流电机的反转；

（3）直流电机的加速：

（4）直流电机的减速：

（5）直流电机的启动：

（6）直流电机的停止：

2.3系统总体设计方案论证

方案一：

采用专用PWM集成芯片、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市场上已经有很多种型号，如Tl公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313I芯片等。

这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。

这种专用PWM集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对较高，难于控制工业成本不宜采用。

方案二：

采用MC51单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。

L298是双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。

其驱动电压为4\6V，直流电流总和为4A。

该方案总体上是具有可行性。

方案三：

采用MC51单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心实现对直流电机的调速。

MC51具有两个定时器T0和T1[9]。

通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。

MC51控制简单，价格廉价，且利用MC51构成单片机最小应用系统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。

综合上述三种方案，本设计采用方案二作为整个系统的设计思路。

第二种方案使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且计算机（或单片机）硬件费用大大减少。

2.4系统总体设计方框图

根据设计任务与设计思路，本系统电路由一块AT89S52单片机通过软件控制，产生PWM波发生信号、驱动L298芯片，改变电动机的端电压来控制调速。

由复位电路、时钟电路、LED显示器、L298PWM驱动电路、电动机运行电路组成。

按键控制电机启动、停止、正反转、加速、减速。

数码管显示电机运行状态，单片机控制产生PWM驱动信号，控制电机运行。

如图2-1。

图2-1系统总体方框图

2.5直流电机调速概述

2.5.1直流电机简介

图2-2为一台两级直流电动机（directcurrentmotor）的结构原理图，图中N和S为一对固定的磁极，在两磁极之间安放着一个可以绕轴转动的铁质圆柱体，称为铁芯；铁芯上固定着的线圈成为绕组；通常把这个绕有线圈的圆柱体成为电枢。

电枢绕组两端分别与两个互相绝缘的弧形铜片相连，弧形铜片称为换向片，他们的组合体称为换向器。

换向器上压有一对固定不动的弹性电刷A和B。

电机工作时，电枢和换向器绕轴转动，而电刷则固定不动。

图2-2直流电机的工作原理图

将直流电源加在电刷A/B之间，线圈中就会有电流流过，由于载流导体均处于N/S极之间的磁场中，它们会受到电磁力的作用，根据左手定则可知，这一对电磁力形成使电枢转动的电磁转矩。

可见，电刷和换向器不仅把转动的电枢与外部固定的电源连接在一起，而且实现了电枢绕组电流的换向，从而产生方向不变的电磁转矩，使电动机连续转动，将输入的直流电能变换为机械能输出。

2.5.2直流电机调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。

但是对于直流电动机的转速有以下公式：

其中：

U—电压；

—励磁绕组本身的电阻；

—每极磁通（Wb）；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。

磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，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。

所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

2.5.3直流调速系统实现方式论证

（Ⅰ）、基于晶闸管作为主电路的调速系统

晶闸管的调速系统是采用分离元件设计的调速系统占用的空间大，控制角难于调整，且模拟器件的固有缺陷如：

温漂、零漂电压等，导致电机的调速无法达到满意的结果。

晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，性能较差，自动化控制程度差，调速过程较为复杂，不利于工业生产和小功率电路中采用。

另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。

（Ⅱ）、基于PWM为主控电路的调速系统

与传统的直流调速技术相比较，PWM（脉宽调制技术）直流调速系统具有较大的优越性：

主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。

3电机调速驱动设计

3.1PWM控制方式

PWM控制方式就是对逆变电路的开关器件的通断进行控制，使输出段得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可以改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出电压的频率。

3.2PWM控制的基本原理

理论基础：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图3-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

分别将如图3-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-1a所示。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图3-2b所示。

从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图3-2形状不同而冲量相同的各种窄脉冲的作用结果

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

如图3-3所示

图3-3SPWM波形

3.3PWM发生电路的设计

PWM信号的产生通常有两种方法:

一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。

基于单片机类由软件来实现PWM：

在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数，在电源电压

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

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

，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

和t。

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。

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3-4所示：

图3-4PWM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。

本系统中，设置4个档位来改变占空比。

图3-5一档时的占空比波形图

图3-6二档时的占空比波形图

图3-7三档时的占空比波形图

图3-8四档时的占空比波形图

3.4功率放大驱动电路

3.4.1芯片L298性能及特点

L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。

L298N引脚如图3-9所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。

图3-9L298引脚

3.4.2L298芯片引脚的电气特性及功能

表3-1L298的引脚功能

引脚

Name

Function功能说明

1;15

2;19

SenseA;SenseB

电流监测端,1、15和PowerSO的2、19用法一样，SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地

2;3

4;5

Out1;Out2

1Y1、1Y2输出端

4

6

VS

功率电源电压,此引脚与地必须连接100nF电容器

5;7

7;9

Input1;Input2

1A1、1A2输入端，TTL电平兼容

6;11

8;14

EnableA;EnableB

TTL电平兼容输入1EN、2EN使能端，低电平禁止输出

8

1,10,11,20

GND

GND地

9

12

VSS

逻辑电源电压。

此引脚与地必须连接100nF电容器

10;12

13;15

Input3;Input4

2A1、2A2输入端，TTL电平兼容

13;14

16;17

Out3;Out4

2Y1、2Y2输出端监测引脚15

–

3;18

N.C.

NotConnected空

表3-2L298电气特性：

Symbol符号

Parameter参数

TestConditions测试条件

最小

典型

最大

单位

VS

SupplyVoltage（pin4）电源电压（引脚4）

OperativeCondition

VIH+2.5

46

V

VSS

LogicSupplyVoltage（pin9）逻辑电路电源电压（引脚9）

4.5

5

7

V

IS

QuiescentSupplyCurrent（pin4）静态电源电流（引脚4）

Ven=H;IL=0

Vi=L

13

22

mA

Vi=H

50

70

Ven=L

Vi=X

4

mA

ISS

QuiescentCurrentfromVSS（pin9）VSS的静态电流（引脚9）

Ven=H;IL=0

Vi=L

24

36

m