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基于单片机的直流电机控制系统设计
1.引言
1.1概况在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。
虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。
现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。
其应用领域极为广泛，例如：
军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。
随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：
主电路线路简单，需要用的功率元件少；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；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。
1.2设计目的和意义
本设计以AT89C51单片机为核心，系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构,以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。
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。
本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEU软S件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
2.直流电机控制系统概述
2.1直流电机的工作原理
直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。
直流电动机的工作原理如图2-2所示。
给两个电刷加上直流电源，如图2-2（a）所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-2（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转。
图2.2直流电机原理图
2.2直流电机的调速方法采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
2.3H桥电机驱动电路
采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。
图2.3H桥式电机驱动电路
上图所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥式驱动电路”
是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中
电路中，H
的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图）桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
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
图2.4H桥式驱动电机顺时针转动
如上图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿
过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而
当三极管Q2
驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机
周围的箭头表示为逆时针方向）。
图2.5H桥式驱动电机逆时针转动
3.方案论证和选择
本次设计选用的电动机型号Z2-32型，额定功率1.1KW，额定电压220V，额定电流6.58A,额定转速1000r/min,励磁电压220V,运转方式连续。
3.1稳压电源的选择
稳压电源的设计可以通过几种方法实现，根据具体的设计要求，通过比较论证确定采用以下方案：
采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5V、±12V、+24V并能可调输出1.2～24电压。
如图1.1所示。
但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响很大，因此所设计的指标不高，而且使用的器件较多，连接复杂，体积较大，供耗也大，给焊接带来了麻烦，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度也受到影响。
U0
图3.1直流稳压电源基本组成框图
由上可知，该方案是利用纯硬件来实现其功能的，采用软硬件结合来实现的。
成本低，性价比高；但是方案的稳定性和精度不高，设计人员可以充分利用VHDL硬件描述语言方便的编程，提高开发效率，缩短研发周期,易于进行功能的扩展，实现方法灵活，调试方便，修改容易。
但考虑到稳压电源的实用性，虽然方案的精度和稳定度不及用FPGA来实现的精度和稳定度高,但是用于做稳压电源已足够了。
3.2电机调速控制模块
采用由三极管组成的H型PWM电路。
用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
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PWM调速技术。
该方案调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此采用该方案。
3.3PWM调速工作方式
调速方式有双极性跟单极性两种，本设计采用单极性工作制，因为单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小。
单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
3.4PWM调脉宽方式
调脉宽的方式有三种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
3.5PWM软件实现方式采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。
4.系统硬件电路设计
硬件电路设计框图如下图所示，硬件电路结构初步设想由以下4部分组成：
时钟电路、复位电路、单片机、驱动电路。
驱动电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。
控制部分采用汇编语言编程控制，AT89C51芯片的定时器产生PWM脉冲波形，通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。
根据硬件系统电路设计框图，对各部分模块的原理进行分析，编写个子模块程序，最终将其组合。
图4.1硬件系统电路设计框图
4.1稳压电源电路
电池放电时内阻稳定的增大，电压则稳定的减小，而且接上大功率的负载时电压会瞬时降低，不能用于提供固定的电压，对于各种IC芯片需要的稳定电压，需要专门的稳压器件，或者稳压电路，基本的稳压器有两种：
线性（LDO）
和开关（DCD）C，其中前者只能降压使用，而前者还可以升压使用而且效率很
控制芯片89C51的标准供电电压是5V，可以选择使用线性电压调整芯片稳压，如：
7805：
最大输出电流1.5A，内部过热保护，内部短路电流限制，典型输入电压7～20V，输出电压4.9~5.1V，静态电流典型值4.2mA，压差（输出与输入的差）至少2V。
LM31（7电压可调）：
输出电流可达1.5A，输出电压1.2V~37V，内部过热保护等。
选用7805，一方面简单；另一方面比较常用且比较便宜。
LM78系列是美国国家半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。
内置过热保护电路，无需外部器件，输出晶体管安全范围保护，内置短路电流限制电路。
对于滤波电容的选择，需要注意整流管的压降。
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，
a.整流和滤波电路：
整流作用是将交流电压变换成脉动电压。
滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压。
b.稳压电路：
由于得到的输出电压受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压。
D1
图4.2稳压电源电路
三端集成稳压器LM7805正常工作时，输入、输出电压差2～3V。
C1为输入稳定电容，其作用是减小纹波、消振、抑制高频和脉冲干扰，C1一般为0.1~0.47μf。
C2为输出稳定电容，其作用是改善负载的瞬态响应，C2一般为1μF。
使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。
二极管IN4007用来卸掉C2上的储存电能，防止反向击穿LM7805。
查相关资料该芯片的最大承受电流为0.1A，因此输入端必须界限流电阻R1，R1=（12*0.9-5）/0.1=58Ω，取近似值，选用70Ω的电阻。
4.2时钟电路
电路中的电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率高低，振荡器的稳定性和起振的快速性，晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快。
XTAL1
XTAL2
图4.3时钟电路
本设计采用频率为12MHZ，微调电容C1和C2为30pF的内部时钟方式，电容为瓷片电容。
判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的方法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18，19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：
18脚对地电压约为2.24V，19脚对地电压约为2.09V。
4.3复位电路
复位是单片机的初始化操作，其主要作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。
图4.4复位电路
单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，这是单片机的上电复位，也叫初始化复位。
当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作，这是手动复位原理。
该电路采用按键手动复位。
按键手动复位为电平方式。
对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为零，可以用导线短时间和+5V连接一下，模拟一下上电复位，如果单片机能正常工作了，说明这个复位电路有问题，其中电平复位是通过RET端经电阻与电源VCC接通而实现的，当时钟频率适用于12MHZ时，C取100uF，R取10K，为保证可靠复位，在初识化程序中应安排一定的延迟时间。
4.4信号输入电路
独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接入一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了。
独立式按键电路配置灵活，软件简单。
但每个按键需要占用一个输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
消除键抖动。
一般按键在按下的时候有抖动的问题，即键的簧片在按下时会有轻微的弹跳，需经过一个短暂的时间才会可靠地接触。
若在簧片抖动时进行扫描就可能得出不正确的结果。
因此，在程序中要考虑防抖动的问题。
最简单的办法是在检测到有键按下时，等待（延迟）一段时间再进行“行扫描”，延迟时间
为10～20ms。
这可通过调用子程序来解决，当系统中有显示子程序时，调用几次显示子程序也能同时达到消除抖动的目的。
图4.5控制输入电路
本文采用查询工作方式，即直接在主程序中插入键盘检测子程序，主程序每执行一次则键盘检测子程序被执行一次，对键盘进行检测一次，如果把没有键按下，则跳过键识别，直接执行主程序；如果有键按下，则通过键盘扫描子程序识别按键，得到按键的编码值，然后根据编码值进行相应的处理，处理完后再回到主程序执行。
4.5电机PWM驱动模块的电路
4.5.1PWM驱动电路介绍
图4.6电机PWM驱动模块的电路
本电路采用的是以大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。
如图2所示。
图中，四只GTR分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。
同一组中的两只GTR同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。
GTR是一种双极性大功率高反压晶体管，它大多用作功率开关使用，而且GTR是一种具有自关断能力的全控型电力半导体器件，这一特性可以使各类变流电路的控制更加方便和灵活，线路结构大为简化。
在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。
脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。
经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。
实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳。
而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。
通过P2.6输入信号，P2.7输入低电平与P2.6输入低电平，P2.7输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。
通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。
速度微调方面，可以通过对占空比跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。
利用孤立元件搭建的H桥电路一个缺点就是击穿，即Q1和Q2同时导通，或者Q3和Q4同时导通。
选择使用芯片可减少这一状况。
常用的电机H桥驱动芯片有：
TA7291S、NJU7382、L297、L298。
本设计要求采用芯片L298作为电机驱动芯片。
L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
4.5.2
L298芯片简介
L298芯片封装有两种，具体如下：
本设计采用第二种L298N，利用该芯片可以驱动2个直流电机，根据本系统的情况，这里只用来驱动1个电机。
OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。
L298的逻辑功能如下表：
表4—1L298的逻辑功能表
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2（IN4）
同IN1（IN3）
快速停止
L
X
X
停止
5.系统的软件设计
通过键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.6与P2.7其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出高电平，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。
5.1编程设计
软件主要由3部分组成：
主程序、键盘扫描程序、中断处理程序。
主程序流程图如下：
键值寄存器key地址01H，复位值00H，key表示被压按键的键值，当key=0表示没有键被按压。
闪烁寄存器地址0CH，复位值0111B，高四位表示闪烁时亮的时间，低四位表示闪烁时灭的时间，改变其值同时也改变了闪烁频率，也能改变两和灭的占空比。
设置key=0到13这14个值，0到9为数值键，用于输入转速。
10，11，12用于控制正转，反转，和停止，13键为确认键。
6.单片机系统综合调试
6.1PROTEUS设计与仿真平台
Proteus软件是LabcenterElectronics公司的一款电路设计与仿真软件，是一个完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台，包括ISIS、ARES等软件模块，ARES模块主要用来完成PCB的设计，而ISIS模块用来完成电路原理图的布图与仿真。
Proteus的软件仿真基于处理器虚拟系统仿真模型VSM，是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如MCS-51系列、AVR、PIC系列等常用的MCU，以及单片机外围电路，比如LCD，RAM，ROM，键盘，马达，LED，AD/DA等。
通过Proteus软件的使用我们能够轻易地获得一个功能齐全、实用方便的单片机实验室。
6.2仿真结果与分析启动仿真后，初始状态
图6.1上电状态按下启停按钮。
电机顺时针方向转动，Q5一端固定为低电平，Q6一端为变化的PWM信号，控制电机转速。
倘若此时按方向按钮，电机逆时针转动，如图
6.3所示，此时，Q6一端固定为低电平，Q5一端为变化的PWM信号，控制电机转速。
倘若此时按启停按钮，电机停止转动，回到图6.1状态。
图6.2启动状态（电机顺时针转动）
图6.3启动状态（电机逆时针转动）
在图6.2电机顺时针转动状态下，对单片机P3.7端口的PWM波形做了粗略测量，按动多次减速键后，当COT0=0A＝H10后，减速档位到达最高，不再减速，相当于速度1档。
示波器显示如图6.4。
图6.4减速后P3.7波形（COT0=10）同理，按动多次加速键后，当COT1=0A＝H10后，加速档位到达最高，不再加速，相当于速度11档。
示波器显示如图6.5。
图6.5加速后P3.7波形（COT1=10）
结合KeilC中的不同时期的定时器计数初值，如附录C所示。
比较发现：
表6-1KeilC中定时器计数初值比较
速度
P3.7=0计数初值
P3.7=1计数初值
总计数值
占空比
1档
8EC0H（32496）
86F2H（34290）
66789
51.34%
6档
8AD8H（32504）
8ADAH（32506）
65010
50%
11档
86F0H（34288）
8EC2H（32498）
66789
48.66%
7.结束语
在几个月的学习中，通过查阅相关资料了解了直流调速系统，加深了对直流电机调速控制系统的认识，熟悉了单片机在控制系统中的运用。
并且在所学知识的基础上，利用已有的直流调速系统设计，尝试了自己的一些研究。
并且，使我将原来所学的知识系统化，理论化，实用化。
对如何使用已有知识及获取相关资料方面的能力又有了提高。
本设计基本上达到了设计目的。
实现通过单片机对直流电机的控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了直流电机调速运行的可靠性。
本设计在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路，解决了电机马驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，且具有一定的防飞能力。
但该设计也有不足之处，主要是在关于速度的反馈上，首先，速度的变化范围较小，其次无法提供较为直观的速度表示方式，因此，有必要引入传感器技术对速度进行反馈，以rpm或rps表达当前的转速进行显示。
通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时锻炼了自己独立完成任务的能力，并掌握了很多软件、硬件开发方面的知识。
另外，我还认识到无论做什么工作，都需要踏实，勤奋，严谨的态度，这对我以后的工作将会产生深远的影响。
同时，也培养了自己认真的科学态度和严谨的工作作风，为将来能更好的适应工作岗位打下了良好的基础。
当然，本次设计还存在一些不足之处，例如：
界面设计不够人性化，不能实现远程监控功能等。
另外，由于实际条件的限制，本设计不能进行现场调试和试运行都是无法完成的。
若以后条件允许，可以对以上设计进行进一步完善。
参考文献
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