直流电机转速控制系统设计开发Word下载.docx

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摘要

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。

直流电机的结构复杂，成本高，运行维护困难，在转速控制中，直流电机的稳速指标一般很难达到要求。

本文针对直流电机的特点，根据自动控制原理，采用PWM控制方式，设计了直流脉宽调速系统以更好地控制直流电机的转速。

本系统设计以89S52单片机为控制核心，以小直流电机为控制对象，实现单闭环控制速度控制，用键盘输入有关控制信号及参数,采用单片机接口输出PWM脉冲和H桥驱动电路控制直流电机，实现电机的正方转和速度调节，并使用光电开关检测电机转速，在LED上实时显示有关参数。

本系统软件部分采用模块化的思想进行设计，首先画出主要模块，即主程序模块、按键扫描模块、中断处理模块和PID算法模块的流程框图，再采用C语言编写出相关程序，然后调试程序，使其完成相应功能。

最终通过系统测试，电机经过约5秒钟进入稳定状态，没有出现过大的超调或欠调。

稳态时，转速误差在±

3转/秒。

由于转速测量装置晃动大，由此引起的测量值会意外发生错误，使电机有时会出现转速的瞬间飙升或骤减，但不会引起系统失调，系统会迅速自动调整转速，再次达到稳定状态。

关键词：

单片机直流电机调速PWMPID控制

ABSTRACT

Intheageofelectricitytoday,motorhasbeeninthemodernizationofproductionandlifeplaysaveryimportantrole.Dcmotorofthestructureiscomplex,highcost,operationandmaintenancedifficultiesinspeedcontrol,dcmotorofthesteadyspeedindexgenerallydifficulttomeetrequirements.Aimingatthecharacteristicsofdcmotor,accordingtoautomaticcontrolprinciple,adoptPWMcontrolmode,thedesigndcpulse-widthspeedregulationsystemtobettercontroldcmotorspeed.

Thissystemdesignedto89S52microcontrollerascontrolcore,insmalldcmotorforcontrolobject,realizesingleclosed-loopcontrolspeedcontrol,usekeyboardinputrelevantcontrolsignalandparameters,USESthemonolithicinterfaceoutputPWMpulseandHbridgedrivingcircuitcontroldcmotorsudoku,realizethemotorspeedregulation,andturnandusephotoelectricswitchdetectionmotorspeed,thereal-timedisplayinLEDrelatedparameters.

Thissystemsoftwarepartadoptsmodularthought,firstdrawthemainmodule,namelythemainprogrammodule,buttonsscanningmodule,interrupthandlingmoduleandPIDalgorithmmodules,andthenusingtheflowdiagramwritteninClanguageprogram,andthentherelevantdebugging,makeitscompletecorrespondingfunction.

Finallythroughsystemtest,motorafterabout5secondsinastablecondition,notappearexcessiveovershootorowetone.Steady-stateerrorofplusorminus3,speedinturn/SEC.Becausespeedmeasurementdevice,shakingarisingfromthemeasuredvalueswillaccidentallyerrorsoccur,makemotorcanappearsometimesspeedmoments,butnotsurgingorslumpcausedsystemdysregulation,thesystemwillautomaticallyadjustspeed,quicklyagainreachstablestate.

Keywords：

SCMDC-motorspeedmodificationPWMPIDcontrol

摘要I

ABSTRACTII

前言1

1.直流电机概述2

1.1直流电机的主要结构2

1.1.1定子部分2

1.1.2转子部分3

1.1.3气隙3

1.2直流电机的特性3

1.3本章小结4

2.PWM控制和PID调节5

2.1PWM控制5

2.2PID调节6

2.3本章小结8

3.系统方案论证10

3.1系统结构方案论证10

3.2转速测量方案论证10

3.3电机调速控制方案论证11

3.4键盘及显示方案论证11

3.5PWM的调速工作以及软件实现方案论证11

3.5.1PWM调速工作方式11

3.5.2PWM的软件实现12

3.6本章小结12

4.控制部分设计13

4.1AT89S52单片机简介13

4.1.1AT89S52单片机的引脚功能13

4.1.2AT89S52单片机的存储器结构16

4.2AT89S52单片机的中断系统19

4.2.1中断申请与控制19

4.2.2中断响应20

4.3AT89S52单片机的定时/计数21

4.4本章小结22

5.硬件电路设计23

5.1系统原理框图23

5.2各模块电路23

5.2.1电源模块23

5.2.2电机速度检测模块24

5.2.3按键模块24

5.2.4电机驱动模块25

5.2.5速度显示模块26

5.3本章小结27

6.软件设计28

6.1主程序设计28

6.2键盘中断处理程序29

6.3PID算法程序30

6.4本章小结31

结论32

致谢33

参考文献33

附录一：

系统原理图34

附录二：

PCB图35

附录三：

源程序代码36

前言

直流电机是最常见的一种电机，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等各个领域中得到了广泛的应用。

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，因此具有很好的发展前景。

工业生产中，电机转速的检测与控制占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响，因此具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。

在对电动机转速检测的过程中单片机和传感技术的应用目前已经相当重要和成熟。

单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器以及过程控制方面，甚至电子玩具等各个领域，单片机都扮演着越来越重要的角色。

它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。

采用单片机技术对电动机参数进行高精度测量，既简单易行、开发方便，同时又能实现电机运行参数的在线检测，对提高电机的运行，改善其性能起到一定的作用。

在与单片机相结合的应用中，传感、检测和电子测量技术也是影响自动控制系统相当重要的因素，传感器件在信息采集和传输的准确度及即时性对于采用自动检测系统进行实时测量和分析产品性能有着至关重要的作用，可以说现代感测技术中传感器件的精度是保证产品性能和质量的重要环节。

本设计就是要以单片机为核心部件，可对直流电机的转向和转速进行设定，并利用PID调节使直流电机的转速的趋于设定值，并在数码管实时显示转速。

本设计包括对硬件电路和软件系统的设计。

通过这种方式达到对相关知识的系统掌握，并加强实际动手能力，做到理论与实际相结合。

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，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。

随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展，通过各种方法对直流电机转速系统的研究，对提高直流电机转速控制系统的精度起着至关重要的作用。

1.直流电机概述

1.1直流电机的主要结构

如图1.1所示是一台小型直流电机的结构剖面图,它是由定子和转子两部分组成，

还有一部分是气隙，图中各个数字标号对应直流电机的一部分结构，1—换向器；

2—电刷装置；

3—机座；

4—主磁极；

5—换向极；

6—端盖；

7—风扇；

8—电枢绕组；

9—电枢铁心。

主要组成部分简述如下：

1.1直流电机结构图

1.1.1定子部分

（1）主磁极主磁极的作用是在气隙中建立磁场,它包含主极铁芯和励磁绕组两部分。

在直流电机中,主磁铁也可以采用永久磁铁,它不需要励磁绕组,叫做永磁直流电机。

（2）换向极换向器又叫附加极,装在相邻磁铁之间的几何中心线,其作用是改善直流电机的换向。

换向极也由换向及铁芯和换向极绕组两部分组成.换向极绕组须与电枢绕组串联。

在1KW以下的容量直流电机中,有时换向极的数目只有主铁极的一半,或不装换向极。

（3）机座直流电机的机座既是磁的通路又起固定的作用,因此要求机座既要导磁面积,又要有足够的机械强度和刚度.对于换向要求很高的电机,机座可以用薄钢板冲片叠压而成。

（4）电刷装置电刷与换向器相配合,起到整流或逆变器。

1.1.2转子部分

（1）电枢铁芯电枢铁芯是电机主磁路的一部分,而且用来嵌置电枢绕组.为了减少电枢旋转时电枢铁芯中损耗,电枢铁芯通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘的硅钢片叠加而成。

（2）电枢绕组电枢绕组是用来产生感应电动势和电磁转矩,实现机电能量转换的关键部件.现代直流电机的电枢,在其圆周上均匀地分布有许多个线圈,每个线圈可以单匝也可以多匝,称为元件.每个元件的两个有效边分别嵌放在相隔一定槽数的电枢铁芯的两个槽中.每个元件的首端与尾端,按一定的规律分别与换向器上的两个换向片相连。

（3）换向器换向器的作用是在电刷见得到直流电动势,并保证每个磁极下电枢导体电流方