直流电机调速系统的设计.doc
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毕业论文（设计）
题目：
直流电机调速系统的设计
系部名称：
信息工程系专业班级：
电气071班
学生姓名：
李义洒学号：
200780844108
指导教师：
梁芬教师职称：
2011年05月20日
中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）
摘要
本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。
文章中采用了单片机定时器的PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。
此外，文中还采用了H桥驱动电路作为直流电机正反转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。
另外，本系统中使用了霍尔传感器对直流电机的转速进行测量，经过放大电路后，将脉冲输入到单片机，从而实现了对直流电机速度的测试。
在软件方面，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。
关键字：
PWM信号，霍尔测速，M/T法测速
TheDesignofDirectCurrentMotorspeedRegulationSystem
Abstract
ThisarticlemainlyintroducesthemethodtogeneratethePWMsignalbyusingMCS-51single-chipcomputertocontrolthespeedofaD.C.motor.ItalsoclarifiestheprinciplesofPWMandthewaytoadjustthedutycycleofPWMsignal.Inaddition,HbridgedrivingcircuithasbeenusedasanactuatingdeviceofthepoweramplifiercircuitwhichcontrolsthespeedofrotationofD.C.motor.What’smore,halleffectsensorisusedinthissystemtomeasurethespeedofD.C.motor.Theresultofthemeasurementissenttotheamplifycircuitofsensors,andfinallythepulsesignalisstoredinthesingle-chipcomputer.Asforthesoftware,thisarticleintroducesindetailtheideaoftheprogrammingandhowtomakeit.
Keywords：
PWMSignalHalleffectsensorM/TmethodSpeedMeasurement
`目录
1引言 1
1.1开发背景 1
1.2选题的目的和意义 1
1.3研究方法 2
2直流电机调速原理 3
2.1电枢电路中接入调速电阻 3
2.2调节电枢电压来调速 3
2.2.1他励电动机 3
2.2.2串励电动机 4
2.3调节励磁电流来调速 4
3硬件电路设计 4
3.1总体硬件电路设计 4
3.28051单片机简介 4
3.3LCD1602液晶显示器 5
3.4功率放大驱动电路的设计 7
3.4.1H桥驱动电路特点 7
3.4.2H桥驱动电路的设计 9
3.5电源电路的设计 10
3.5.1芯片介绍 10
3.5.2电源电路的设计 11
3.6测速电路的设计 12
3.6.1脉冲信号的获得 12
3.6.2硬件电路的设计 13
3.6.3数据处理 13
4系统软件部分设计 15
4.1主程序设计 15
4.2定时器中断程序设计 15
4.3PWM的基本原理及程序设计 16
4.3.1PWM的基本原理 16
4.3.2PWM信号发生程序设计思路 17
5系统仿真与调试 18
5.1系统仿真 18
5.2软硬件调速 18
5.2.1软件程序调试 18
5.2.2程序在硬件上的调试 19
结论 20
致谢 22
参考文献 23
附录1 24
附录2 25
IV
1引言
1.1开发背景
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了[1]。
改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。
1.2选题的目的和意义
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[2]。
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。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
1.3研究方法
本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一[3]。
本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。
文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。
利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。
2直流电机调速原理
电动机是用以驱动生产机械的，根据负载的需要，常常希望电动机的转速能在一定或宽广的范围内进行调节，且调节的方法要简单经济。
直流电动机在这些方面有其独到的优点。
从直流电机的转速公式[4]
n=
可知，调速方法有两种：
（1）电枢控制，即用调节电枢电压或者在电枢电路中接入调速电阻来调速。
（2）磁场控制，即用调节励磁电流来调速。
2.1电枢电路中接入调速电阻
电枢电路接入调速电阻RΩ后，有公式
n=
可知其机械特性将随之增大，它和负载特性TL+T0的交点将逐步下移，于是电动机的转速将下降。
图2-1串入电阻后的机械特性曲线R2>R1
这种调速方法虽说简单易行，但是串入电阻后电枢的铜耗增大，电动机的效率要降低，气机械特性要变软，负载变动时产生较大的变化。
2.2调节电枢电压来调速
2.2.1他励电动机
图2-2不同电枢电压是他励直流电机的机械特性曲线（U1>U2>U3）
电机的电枢需要由专用的直流电源（多采用可控整流电源）单独供电励磁则由另一电源他励，从机械特性表达式和右图可知提高或降低电枢端电压U（主磁通Φ保持不变），电动机的机械特性将平行的上升或下降，使电动机的转速相应地上升或下降。
2.2.2串励电动机
串励电动机也可以通过改变电枢电压来调速，如图表示电枢电压分别是U1和U2（U1>U2）时串励电动机的机械特性和负载特性。
从图中可以看出提高电枢电压可以提高速度。
图2-3改变电枢端电压时串励电动机的机械特性（U1>U2）
2.3调节励磁电流来调速
从转速公式中可知可以看出减小励磁电流时。
气隙磁通量Φ将减少，电动机转速将升高。
从不同励磁电流时他励或并励电动机的机械特性曲线中也可以看出。
这种方法所用的设备简单，调节也方便切效率高。
但是随着转速和电枢电流的增加，电机温升升高，换向变坏，转速过高时会出现不稳定的现象。
图2-4不同励磁电流时，他励（并励）电动机的机械特性曲线（I1>I2）
本系统的设计就行利用PWM脉宽调制技术改变电压占空比来改变平均电枢电压来调速的。
3硬件电路设计
3.1总体硬件电路设计
本系统采用89C51控制输出数据，由单片机定时器直接产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过霍尔传感器测速电路，将脉冲重新送回单片机，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。
[5]
3.28051单片机简介
1．8051单片机的基本组成
图3-1系统整体框图
8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法[6]。
其基本组成如下图所示：
图3-2单片机内部结构图
2．CPU及部分部件的作用功能介绍如下
中央处理器CPU：
它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：
8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。
通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
内部程序存储器：
8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
定时器：
8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：
该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。
3.3LCD1602液晶显示器
1.LCD1602液晶显示器基本介绍
图3-31602实物图
LCD1602液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，能够同时显示16x02即32个字符，（16列2行）。
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富
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