基于Proteus的直流电机控制系统的设计毕业作品文档格式.docx
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2
完成整体方案的设计
2014年3月13日-2014年4月1日
3
硬件设计
2014年4月3日-2014年5月5日
4
软件设计
2014年5月6日-2014年5月20日
5
编写设计说明书，完成论文及答辩
2014年5月21日-2014年6月20日
基于Proteus的直流电机控制系统的设计
摘要：
直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的启动性以及简单的控制电路等优点，在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。
本文设计了以单片机AT89C51和L298驱动芯片控制直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。
主要介绍了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。
本系统采用霍尔元器件测量电动机的转速，用单片机软件实现PWM调整电机转速，给出了程序流程图、程序。
硬件电路实现了对电机的预置初值、正反转、急停、加速、减速的控制，以及转速在四位LED上的显示。
关键词：
单片机AT89C51，脉宽调制，直流电机
DesignofthecontrolsystemofdcmotorbasedonProteus
Abstract：
Thedirectcurrentmachinetakesthemostcommononekindofelectricalmachinery,hastheveryoutstandinglinearphysicalcharacteristics,thewidegovernordeflection,thegoodstartingaswellasmeritsandsoonsimplecontrolcircuit,thereforeobtainedtheverywidespreadapplicationinsociety’seachdomain.
ThisarticledesignstheMCUAT89C51andL298drivechipcontroldcmotorpulsewidthmodulation（PWM）controlsystem.Mainlyintroducesthecontrolsystemofdcmotor,thispaperexpoundsthebasicschemeofthesystemisthebasicstructure,workingprinciple,operationcharacteristicsanddesignmethod.ThissystemUSEShallcomponentsmeasuredthespeedofthemotorusedinthesimulationsoftware,MCUsoftwarerealizationPWMmotorspeedadjustment,theprogramflowchart,keilcProteusprocedures.Thehardwarecircuitofthemotor,positive&
negativeinitialpreset,stop,accelerate,control,andthespeedoftheslowdowninfourled.
Keywords:
SingleChipMicrocontroller,AT89C51,PulseWidthModulation,DCMotor
1绪论
1.1研究背景
1964年U.stemmler和A.Schonung首先提出把PWM技术应用到电机传动中，从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面[1]。
进入80年代以来，由于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的兴起，电动机有了最新的发展成果[2]。
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，逐渐形成以体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器，与电机相结合，把电机控制推上了一个崭新的阶段。
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，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用,并向全数字化控制方向快速发展[3]。
电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动控制方法能够得到实现，脉宽调制控制方法（PWM和SPWM）,变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的应用[4]。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机、开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频设计的交流电动机等[5]。
1.2研究意义
随着现代科学技术的不断更新发展，电动机技术已经频频出现在科研，军事，教育，工业，以及人们的日常生活中。
在目前实际应用中，主要出现有步进电动机和直流电动机两大类，他们在不同的领域中都起着比较核心的作用[6]。
对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制；
复杂控制是对电动机的转速转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。
本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、制动、正反转控制外，还要进行转速控制为以后复杂控制做为基础学习。
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，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。
采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；
减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性。
控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实现。
集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力，集成化使系统成本大大降低。
2系统硬件设计
2.1直流电机的简介
2.1.1直流电机的基本结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供）,其转子由硅钢片叠压而成，转子外圈有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出，直流电机的结构如下图2.1所示：
图2.1直流电动机结构图2.2直流电动机工作原理图
2.1.2直流电机的工作原理
如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可转动的铁磁圆柱体，直流电机里边固定有环状永磁体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd，当电流通过转子上的线圈时产生安培力，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中的电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向可实现改变电机转动的方向。
2.1.3直流电机调速原理
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。
但在调节电压时都可以改变它们的速度，由公式2.1
n=（Ua-IaRa）/Ceφ（2.1）
可知调节电压都可以改变速度，本设计实现无级调速，可通过PWM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。
直流电机转速的数学模型可用图2.3表示、由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势，电磁转矩T1的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩，轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩
图2.3直流电机的数学模型
根据基尔霍夫定律，得到电枢电压平衡方程式
U=Ea-Ia（Ra+Rc）（2.2）
上式2.2中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和，Rc是外接在电枢回路中的调节电阻
由此可得到直流电机的转速公式为:
n=（Ua-IaRa）/Ceφ（2.3）
上式2.3中，Ce为电动势常数，φ是磁通量。
可得:
n=Ea/Ceφ（2.4）
由上式2.4可以看出，对于一个己经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0时，电机就停止转动:
改变电枢电压的极性，电机就反转。
对于本课题直流电机来说，电压是一个脉动电压，如图2.4，在调速中通过脉动电压来控制电动机的平均电压，即PWM调速，在驱动控制调速系统中，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"
来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。
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。
图2.4电枢两端的脉动电压
设电机接通电源时电机转速最大为Vmax,设占空比为a，则电机的平均速度为：
Vd=Vmax*a（2.5）
式2.5中Vd---电机的平均速度，Vmax---电机全通电时的速度，a=t1/T---占空比。
由公式2.5可见当我们改变占空比a时，就可以得到不同的电机平均速度Vd。
由2.4可得
n=Ea/Ceφ≈Vmax*a/Ceφ=ka（2.6）
假设电枢内阻很小的情况下上式2.6中的k=Vmax/Ceφ是常数，则施加不同的占空比时，测的占空比与转速的关系图如图2.5
图2.5占空比与电机转速关系
由上图可知平均速度与占空比并不是严格的线性关系，原因是电枢本身有电阻，但在一般的应用直流电机的内阻都很小，故可以将其近似地看成线性关系。
由此可见改变施加在电枢两端的电压就可以改变电机的转速，这就是直流电机调速原理。
2.2系统方案设计
2.2.1直流电机驱动方案
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
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，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
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、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由L298的H型PWM电路。
用单片机控制L298驱动芯片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。
综合上述三种方案，方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此在本次设计中采用方案三，由电动机的驱动芯片为L298来驱动电机转动。
2.2.2PWM方式的选择
在PWM调速时，占空比a是一个重要的参数，如下图2.6所示,以下3种方法都可以改变占空比的值。
定宽调频法，这种是保持t1不变只改变t，这样使得周期T也随之改变。
调宽调频法，这种是保持t不变而改变t1，这样使得周期T或频率也随之改变。
定频调宽法，这种是周期T不变而改变t1和t，前两种方法由于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震荡，因此前2种方法用得很少。
目前在直流电机的控制中主要用定频调宽法。
图2.6占空比a=t1/T
2.2.3PWM控制信号的产生方式
分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号发生器，其为早期的方法，现在逐渐被淘汰。
软件模拟法
利用单片机的一个I/O口的引脚，通过软件对这个引脚不断地输出高低电平来实现PWM波的输出，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。
本设计采用方案二。
2.2.4正反转的设计
单片机通过L298中的H桥从AT89C51中的P3.0、P3.1输出控制信号与L298的IN1、IN2相连，通过控制P3.0、P3.1的端口的高低电平，从而达到控制电机转向的目的。
2.2.5速度调控的实现
单片机通过控制L298的使能端“允许”或“禁止”，通过改变a（脉冲宽度）的值，从而达到控制PWM脉冲宽度调节电机转速的目的，这里利用定时计数器让单片机的P3口的P3.0引脚输出不同的方波，然后经驱动芯片L298放大后控制直流电机。
驱动电机的输入电压是两脚的电压差,在调速时一根引脚线为低电平,另一个引脚产生调速方波,这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。
定时计数器若干时间比如（0.1ms）中断一次,就使P3.0或P3.1产生一个高电平或低电平。
直流电机的速度分为100个等级,因此一个周期就有100个脉冲,速度等级对应一个周期的高电平的个数。
占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。
一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。
占空比越大,加在电机两端的电压越大,电机转动越快。
电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。
当我们改变占空比时,就可以得到不同的电机平均速度,从而达到调速的目的。
2.3系统原理
本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现办法。
采用单片机构成的直流电动机数字PWM调速系统，其控制核心主要由显示模块、键盘、驱动模块、测速模块、直流电机组成。
系统采用L298芯片作为PWM驱动直流电动机的供电主回路，单片机通过软件延时处理输出PWM信号，实现了直流电动机的转速控制，在运行中获得了良好的动静态性能。
（1）键盘识别：
通过P1口的底电平输入，识别不同的按键
（2）通过对单片机的程序输入来实现对直流电动机的启动、停止、正反转、加速、减速的控制。
（3）由于单片机的驱动能力不强，驱动直流电机需要很强的电流，所以必须有外围的驱动电路，因此本设计采用L298芯片放大单片机的微弱电流来驱动直流电动机转动。
系统框图如下：
图2.7系统硬件框图
故本次设计由3大模块来实现基本功能：
（1）单片机系统，单片机采用PWM控制原理控制直流电动机，设计复位电路和晶振电路。
（2）外围电路，实现单片机和电动机驱动电路的电路接口，直流电动机机动电路和直流电动机的接口电路，以及按键显示接口电路
（3）系统软件编写基于PWM控制程序，实现对直流电机的控制功能。
2.4系统模块的设计
2.4.1单片机最小系统设计
单片机最小系统：
所谓单片机最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以是单片机工作的系统，一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。
如下图2.8所示：
（1）单片机
单片机是整个测量系统的主要部分，担负对前端脉冲信号的处理、计算、以及信号的同步，计时等任务；
其次将测量的数据经计算后，将得到的转速值传送到显示接口中，用数码管显示数值。
在本系统中考虑到计数的范围、使用的定时/计数器的个数及I/O口线，选用AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图2.9所示
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
图2.9AT89C51单片机引脚序列
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（2）复位电路：
复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。
就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算。
和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。
一是在给电路通电时马上进行复位操作；
二是在必要时可以由手动操作。
复位电路的作用在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的复位方式有：
手动按钮复位和上电复位
①手动按钮复位
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平如图2.10所示。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以完全能够满足复位的时间要求。
②上电复位
AT89C51的上电复位电路如图2.11所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。
上电压从无到有在RESET处会先处于高电平一段时间，然后由于该点通过电阻接地则RESET该点的电平会逐渐的改变为低电平，从而使得单片机复位口电平从1到0，达到给单片机复位的功能。
图2.10上电复位电路图2.11上电/外部复位电路
由于本系统的设计不需要太复杂，直接采用手动复位即可。
（3）时钟电路
晶体振荡电路的简称，AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
晶体振荡电路如图所示，晶振有一个重要参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。
如下图2.12所示：
图2.12晶振电路
2.4.2直流电机驱动电路设计
根据电动机的驱动可分为方向可逆和方向不可逆两种，本次设计由设计规则选择方向可逆的电路驱动。
由于单片机的输出电压和电流都很小，在许多的应用场合单片机都不能驱动电机，因此必须采用一些驱动芯片或构件驱动电路以驱动控制对象。
由于电路的要求，本系统采用L298来驱动直流电机的转动。
L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片的主要特点是:
工作电压高，最高工作电压可达46V;
输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；
它是由达林顿管组成的双桥高电压大电流集成PWM电路，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载，PWM电路由四个大功率晶体管组成的H桥电路构成,四个晶体管分为组,交替导通和截止,用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态,根据调整输入脉冲的占空比,精确调整电动机转速。
这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下，效率非常高。
H型电路使实现转速和方向的控制简单化,且电子开关的速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。
L298内部的每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起,其输出脚（SENSA和SENSB）用来连接电阻检测电流。
单片机通过控制L298的使能端“允许“或
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