直流电机控制系统设计Word格式.docx

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课程设计的容及要求：

1.容

利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。

系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停顿、加速、减速等。

2.要求

（1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。

（2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。

（3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。

（4）用汇编或C语言进展程序设计与调试。

〔5〕完成系统硬件电路的设计。

〔6〕撰写一篇7000字左右的课程设计报告。

指导教师年月日

负责教师年月日

学生签字年月日

直流电机调速系统设计

XXXXX大学自动化学院

摘要：

本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的根本方法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的根本原理和实现方法。

重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。

对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；

能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。

电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动开展的主要方向之一。

采用微机控制后，整个调速系统体积小，构造简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可到达较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。

关键词：

单片机最小系统；

PWM；

直流电机调速;

0前言

电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用围已普及国民经济的各个领域和人们的日常生活。

无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品〔如电冰箱，空调，DVD等〕中，都大量使用着各种各样的电动机。

据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。

同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。

电动机与人的生活息息相关，密不可分。

电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比拟多。

简单控制是指对电动机进展启动，制动，正反转控制和顺序控制。

然而近年来，随着技术的开展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。

直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应开展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的开展。

而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多项选择择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向开展。

随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。

这是因为单片机具有很多优点：

体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，构造合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。

所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。

1总体方案设计

1.1系统方案

针对本课题的设计任务，进展分析得到：

本次课程设计以AT89C52单片机为核心，以5个弹跳按钮作为输入端，到达控制直流电机的正转、反转、停顿、加速、减速。

在设计中，采用PWM技术对电机进展控制。

1.2系统构成

该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下5个局部组成：

输入模块，AT89C52单片机，电源模块，驱动模块，直流电机。

系统原理框图如图1所示。

图1系统原理框图

1.3电路工作原理

根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。

不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。

对于直流电机来说，认为机械特性方程式为：

n=UN/（KeφN）-（Rad+Ra）/（KeKtφ2N）T=n-△n〔公式1-1〕

式中UN，φN----------额定电枢电压、额定磁通量；

Ke，Kt---与电机有关的常数；

Rad，Ra-----电枢外加电阻、电枢电阻；

n，△n—理想空载转速、转速降。

分析公式1-1可得，当分别改变UN、φN和Rad时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。

由于φ=T，当改变励磁电流If时，可以改变磁通量φ的大小，从而到达变磁通调速的目的。

但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If和磁通量φ只能在低于其额定值的围调节，故只能弱磁调速。

而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。

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，进而到达控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。

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“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〞。

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；

电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

当我们改变占空比时，可以得到不同的电机平均速度，从而到达调速的目的。

1.4方案选择

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而到达调速的目的。

但是电阻网络智能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比拟昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现起来很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进展控制，通过开关的切换对电机的速度进展调整。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械构造容易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：

采用驱动芯片L298驱动直流电机，L298具有驱动能力强，外围电路简单等优点。

综合各方面的因素，采用了方案三。

2硬件电路设计

2.1系统分析与硬件设计

键盘向单片机数日相应控制指令，由单片机通过P3.0与P3.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大，驱动电动机来控制电路，实现电动机转向和转速的控制。

2.2单片机AT89C52

采用AT89C52是MSC-51系列单片机的升级版，由世界著名半导体公司ATMEL在购置MSC-51设计构造后，利用自身优势技术———闪存生产技术对旧技术进展改良和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。

与此同时，世界上其他的著名公司也通过根本的51核，结合公司自身技术进展改良生产，推广了一批如51F020等高性能单片机。

AT89C52片集成256字节程序运行空间，8K字节Flash存储空间，支持最大64k外部存储扩展。

根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。

片资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低耗能模式、看门狗和断电保护。

可以在4V到5.5V宽电压围正常工作。

不断开展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。

同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线，仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。

根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插PID-40的封装。

2.3复位电路和时钟电路

复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的根本模块，复位电路通常分为两种：

上电复位和手动复位。

有时系统在运行过程中出现程序跑飞的情况，在程序开发过程中，经常需要手动复位，所以本次设计选用手动复位。

2.4直流电机驱动电路设计

由于单片机P3口输出的电压最高才有5V，难以直接驱动直流电机。

所以我们需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298来驱动电机。

L298可承受标准TTL逻辑电平信号，可接4.5~7V电压。

4脚接电源电压，电压围+2.5~46V。

输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机。

本设计我们选用驱动一台电动机。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

同时需要加四个二极管在电机的两端，防止电机反转的时候产生强大的冲击电流烧坏电机。

具体驱动电路如下：

图2驱动电路

2.5键盘电路设计

正转、反转、停顿、加速、减速五个开关分别与单片机的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4相连，然后再与地相连。

正转实现直流电机的正转，反转实现直流电机的反转，停顿实现直流电机的停转，加速实现直流电机的加速，减速实现直流电机的减速，具体键盘电路如下：

图3键盘电路

3软件设计

3.1应用软件的编制和调试

使用Keil软件编程时，工程开发流程和其它软件开发工程的流程较为相似。

（1）创立一个工程，从器件库中选择目标器件，配置工具设置；

（2）用C语言或会变语言创立源程序；

（3）用工程管理器生成应用；

（4）修改源程序中的错误；

（5）测试，连接应用。

3.2程序总体设计

利用P3口，编制程序输出一串脉冲，经放大后驱动直流电机，改变输出脉冲的电平的持续时间，到达使电机正转、反转、停顿、加速、减速等目的。

由软件编程从P3.0/P3.1管脚产生PWM信号，经驱动电路输出给电机，从而控制电机得电与失电。

软件采用延时法进展设计。

单片机上电后，系统进入准备状态。

按动正转按钮后，根据P3.0为高电平时实现电机正转，P3.1为高电平时实现电机反转。

根据不同的加减速按钮，调整P3.0/P3.1输出上下电平时的有效值，进而控制电机的加减速。

其主程序流程如图2所示：

图4主程序流程图

3.3仿真图形

按下“正转〞按钮，直流电机运行效果如下图：

图5电机正转

按下“加速〞按钮，直流电机正向加速，运行效果如下图：

图6电机正转加速

按下“减速〞按钮，直流电机正向减速，运行效果如下图：

图7电机正转减速

按下“停顿〞按钮，直流电机停顿运转，运行效果如下图：

图8电机停转

按下“反转〞按钮，直流电机开场反转，运行效果如下图：

图9电机反转

4调试分析

在调试时，由于子程序有很多，有时没法将每一个子模块都运行到，自然也无法及时发现其中的疏漏。

为了解决这个问题，更好地查找错误，我解决的方法是将各个模块分别进展调试。

例如在调试某一模块时，先将其他模块用“//〞暂时屏蔽掉，直到各个子模块都安康运行后，再整体调试，这样我们更加容易找出错误，增加效率。

软件调试需要不断的在单片机上执行看输出的结果，如果每次都在硬件上操作比拟麻烦，因此我使用了“Proteus〞仿真软件，将我们的电路硬件搭建出来，在这个平台上调试软件，并且到达了比拟好的效果。

5结论及进一步设想

根据实验结果，本设计根本完成了设计要求，系统能够实现正转、反转、加速、减速、停顿能功能。

但是由于我对数码管等显示模块掌握度不够，系统还不能显示出电机转速，如果可以再多给我一些时间，我一定能设法用LCD或数码管显示出电机的转速。

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参考文献

[1]王鉴光.电动机控制系统.:

机械工业,1994

[2]小春,首桁.无刷直流电动机的单片机控制.自动化技术与应用,2021

[3]王小明.电动机的单片机控制.:

航空航天大学,2002

[4]堔.直流无刷电动机原理及应用.:

机械工