一种基于单片机的小型直流电机转速控制电路设计毕设论文Word格式文档下载.docx

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校内指导教师姚广平专业技术职务研究员级高级工程师

校外指导老师王蛟专业技术职务车间主管

二○一三年六月

一种基于单片机的小型直流电机转速控制电路设计

摘要：

随着手机、影音设备、玩具、医疗设备、保健器械、家用电器、办公自动化设备、工业自动化设备、汽车、通讯设备和电动工具的需求不断增加，直流电机在这些产品中的应用需求也在迅速扩大，其中，汽车、家用电器、医疗设备、保健器械和手机的贡献尤为突出。

小型直流电机的转速控制器成为小型直流电机配套使用的关键部件，低成本高性能的直流电机控制器无疑是为小型直流电机展现了更美丽的应用前景。

当前，单片机的性价比是其它类型的微处理器芯片无法比拟的，功能强大、价格低廉、开发简便是单片机的一大特色，这对于民用产品来说，具有很高的市场价值。

因此，研究、设计基于单片机控制的小型直流电机的控制电路具有很好的应用前景。

本次设计首先对调速控制主回路进行设计，采用双向晶闸管来实现交流调压，采用桥式整流电路来实现交直流的变换；

再运用零式整流稳压电源为单片机提供工作电源；

最后进行系统的软件设计，实现键控四档转速、键控三档循环转速、键控启/停、定时停机的功能。

根据市场需求和发展趋势，设计了一种以51单片机为控制核心、以电力电子器件（晶闸管）等元件为执行部件，实现了交流调压、交直流变换的小型直流电机转速控制电路。

关键词：

单片机；

直流电机；

转速控制；

晶闸管

ThedesignofthecircuitforsmallDCmotorspeedcontrolbasedonMCU

Abstract：

Withcellphones,audio-visualequipment,toys,medicalequipment,healthequipment,householdappliances,officeautomationequipment,industrialautomationequipment,automotive,communicationsequipmentandtheincreasingdemandforpowertools,DCmotorsintheseproductsisrapidlyexpandingapplicationrequirements,Amongthem,automobiles,householdappliances,medicalequipment,healthcareequipmentandmobilephonescontributionisparticularlyprominent.SmallDCmotorspeedcontrollerbecomeasmallDCmotorsupportingtheuseofkeycomponents,Low-costhigh-performanceDCmotorcontrollerforsmallDCmotorisundoubtedlyshowamorebeautifulprospect.Currently,cost-effectivesingle-chipmicroprocessorchipisanothertypeofunmatched,powerful,inexpensive,andeasydevelopmentisamajorfeatureofthemicrocontroller,Thisisforcivilianproducts,withhighmarketvalue.Therefore,theresearch,designmicrocontroller-basedcontrolofasmallDCmotorcontrolcircuithasgoodapplicationprospects.

Thedesignofthefirstmainloopspeedcontroldesign,AchievedusingbidirectionalthyristorACvoltageregulator,usingbridgerectifiercircuittoachieveAC-DCconversion;

thenusezerorectifierpowersupplysuppliespowerforthemicrocontroller;

Finally,systemsoftwaredesign,implementationkeyingfourthgearspeed,keyingthirdgearcyclingspeed,keystart/stop,timedshutdownfunction.Accordingtomarketneedsandtrends,thedesignofamicrocontrollercorewith51topowerelectronicdevices（SCR）andothercomponentsfortheimplementationofcomponentstoachieveaACvoltage,AC-DCconversionforsmallDCmotorspeedcontrolcircuit.

Keywords：

Microcontroller;

DCmotor;

Speedcontrol;

Thyristor

1引言

1.1选题背景

1.2国内外研究现状

电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。

正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟[1]的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。

而国外交直流系统数字化已经达到实用阶段。

1.3技术路线分析

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，更是工业生产中必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

而在电气时代的今天，电机在工农业生产、人们日常生活中亦起着十分重要的作用。

直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。

与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护困难。

但是直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业中仍有应用。

近年来，直流电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[2,3]功率元器件的不断出现，本设计采用了以单片机为控制核心，以双向可控硅等为执行部件的转速控制电路。

这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。

2原理设计

2.1基本原理

本设计以51单片机为控制核心、以电力电子器件（晶闸管）等元件为执行部件，设计了能够实现了交流调压、交直流变换的小型直流电机[4]转速控制电路。

图2.1电路原理图

如图2.1所示，本设计采用了零式整流稳压电路将220V的市电转换为5V直流电压

供单片机、光电耦合器使用。

过零检测模块是由光电耦合器构成的，实现对市电过零进行检测，检测信号送到单片机[5,6,7]的INT0口，通过下降沿触发，向单片机请求中断。

单片机进入中断子程序后进行延时，通过控制双向可控硅门极脉冲触发电路在市电半个周期内的触发时刻，实现对双向可控硅导通角的控制，从而实现功率的调节，最终达到电机调速的目的。

2.2设计目标要求

1）输入电压：

交流220V±

15%

2）键控四档转速，默认值为最低档。

（最高档位为额定转速，最低档转速约为最高档转速的1/4，具体转速值由具体型号电机决定）

3）键控三档循环转速，默认值为最低档循环转速。

4）定时停机

5）键控启/停

6）直流电机功率：

5-50W，电压：

200VDC

3功能说明

接通电源后，按下启动/暂停按钮后电机以最低档转速转动，再按一下电机停止转动；

按下加速按钮电机转速变快，每按一下速度加一档，当达到最高档的时候就不再变化了；

按下减速按钮电机转速变慢，每按一下转速就减一档，当减到最低档后就不再变化了；

按下循环按钮进入循环模式，电机实现三档转速循环变换，再按一下退出循环并以最低档转速运转。

4硬件电路

4.1零式整流稳压电源

电子工程师总是在不断追求减小设备体积，优化设计，以期最大限度地降低设备成本。

其中，减小作为辅助电源的直流稳压电源电路部分的体积，往往是最难解决的问题之一。

本设计采用了一种零式整流稳压电源为电路提供5V的工作电源。

阻容降压基本原理：

图4.1阻容降压原理示意图

如图4.1所示，第一个环节降压，通常使用变压器来完成。

但是变压器体积较大，成本较高，对于一个小型系统加一个变压器就显得大材小用。

如用一个电容器，就可以实现降压的目的，不但简化了电路，而且节约了成本。

当一个正弦交流电源U（如220VAC50HZ）施加在电容器两端时，电容器两极板上的电荷Q为：

Q=CU（4.1）

可以把电容器近似的看成依赖频率的电阻元件，这样就可以用它构成一个依赖频率的分压电路，当加在电容器上的电压幅值一定，频率一定时，就会流过一个稳定的正弦交流电流I：

（4.2）

容抗越小（电容值越大），流过电容器的电流越大，如果在电容器上串联一个合适的负载，就能得到一个降低了的电压源，可经过整流，稳压滤波后输出直流电压。

因为电容器在电路中只是吞吐能量，而不消耗能量，所以电容器降压电路的效率很高。

图4.2零式整流稳压电路

如图4.2所示，市电经过C2降压后经D2完成半波整流，再经D3稳压，C3滤波后输出稳定的直流电压给负载。

对于降压电容C2的选取，首先应根据负载所需的电流和稳压二极管正常工作的反向电流来确定电源所需要提供的总电流。

然后用电容上分得的电压除以总电流，得到相应的容抗。

最后选择容值最接近的电容。

容值小了，提供不了足够的电流；

容值大了，稳压管分担的电流就多了，功耗大。

这里选取的是1uF/400V的聚丙烯电容，耐压值要大于市电的峰值电压。

R2是一个泄放电阻，主要是为了在较短的时间内释放掉C2上的电荷，此处选用1MΩ的碳膜电阻。

D1是为了给C1在市电的负半周提供充放电通路，以保证C2在整个交流电周期内都是工作的。

此处D1、D2选用的是1N4007，它的最大可重复峰值反向电压为1000V,最大正向整流电流为1A，满足设计要求。

如果将