直流电动机转速控制系统研究学位论文Word格式文档下载.docx
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1.2课题的研究意义
在早期时候，发电机—电动机系统出现才使得直流电动机广泛得到应用，机能优越的直流电动机是以模拟电路为基础，是由线性与非线性中的非线性集成电路和运算放大器以及一些较少的数字电路构成的。
其控制系统有非常复杂的硬件，功能也比较简单专一，并且系统也不方便活动、调整困难，这样就妨碍了直流电动机的发展和使用的限度范围。
在近几年电力电子技术的不断更新，直流电机速度控制系统的晶闸管变流器提供电源取代了发电机-电动机的调速控制系统。
晶闸管变流器供直流电动机的电能已经大大超越了发电机-电动机调速系统。
尤其在迅速发展的一些规模集成电路和单片机中的应用中，直流电动机的调速更加准确、可靠。
通过这些技术的不断成熟，直流电动机的速度更加控制简单。
根据性能的良好，故可得到调速范围变宽、转速率和平滑率变小，因此在很多方面中得到普遍使用。
在不断的研究中，直流电动机的控制才有更加新一步的创新和性能各方面的提高。
1.3国内外研究现状
直流电动机在目前的现状分析如下：
在国外很多公司都比较注重新产品的开发，比如在电机的安全、噪音、电磁兼容等方面都是很重视的。
国外对电机的研究比国内略微先进，国外的人，他们实现了对电机一些性能的提高，而且还增加了可靠度，让电机的使用时间能够较长。
在电动机的普遍使用程度上和电机的使用速率上更是不断的在进步，使得电动机噪声低、重量轻、成本低和拥有美丽的外观，在绝缘水平上的优势也是采用F和H等。
我国的国产产品与国外的产品差异，相当一部分是在可靠性、重量、噪音和体积方面的不足，而输给国外的产品。
但在二十世纪60年代初期建了许多专业生产电机的企业和研究所。
这些都推进了我国的电动机市场的发展。
今天，新的、特殊的电机将继续与新的原理，新的结构，新材料，新技术，新方法联系起来，发挥出更好的作用来突破目前国内的电动机市场，来满足各种需求的消费者和实现其应用的价值。
1.4本文主要研究内容
本课题主要研究的是直流伺服电机的正反转控制以及电动机转速的控制，设计了一个80C51单片机控制系统，主要设备包括键盘、七段LED显示、并且采用直流脉宽调制PWM对电动机进行转速控制。
规定直流电动机12伏电压，2瓦功率，转速1500转/分。
本文根据对单片机的应用来作为控制系统的核心，这样来提高整个系统的可靠性和可行性。
2基本概念介绍
2.151系列单片机介绍
51系列单片机是具有8051内合体系结构、引脚信号和指令系统完全兼容的单片机的总称。
在51子系列的基本产品有8031、8051和8751三种机型，分别于这三种机型兼容的低功耗COMS器件产品有80C31、80C51和87C51。
本设计中采用80C51单片机。
80C51单片机由中央处理器（CPU）和8个部件组成，CPU能处理8位二进制数或者代码，并且CPU是单片机的核心，是用来完成运算和控制功能的。
其中单片机的40个引脚分为以下几类，同时引脚则如图2.1所示。
图2.1单片机引脚图
1.主电源引脚：
VCC（40脚）：
是芯片电源，接+5V电压；
GND（20脚）：
是接地，接+5V电源地端。
2.外接晶体引脚：
XTAL1（19脚）：
是接外部石英晶体的一端；
XTAL2（18脚）：
是接外部石英晶体的另外一端。
3.输入/输出引脚
（1）P0口（32～39脚）：
是P0.0～P0.7。
作为准双向输入/输出口使用,或是传送低8位地址总线（AB）和双向数据总线（DB）。
（2）P1口（1～8脚）：
是P1.0～P1.7，作为准双向输入/输出口使用。
（3）P2口（21～28脚）：
是P2.0～P2.7，作为准双向输入/输出口使用，或是当寻址范围超过256B时，P2口作为高8位地址总线使用。
（4）P3口（10～17脚）：
是P3.0～P3.7，作为准双向输入/输出口外，其它功能如下表2.1所示。
表2.1P3口的第二功能
P3口
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
外部中断0输入端，低电平有效
P3.3
外部中断1输入端，低电平有效
P3.4
T0
定时/计数器0计数脉冲输入
P3.5
T1
定时/计数器1计数脉冲输入
P3.6
外部数据存储器写选通信号输出
P3.7
外部数据存储读选通信号输出
4.控制线
（1）ALE/PROG（30脚）：
是地址锁存有效信号输出端，其中ALE的目的可用于对外输出的时钟脉冲或用于定时；
（2）
（29脚）：
是片外程序存储器读选通信输出端，低电平有效。
（3）RST/VPD（9脚）：
其中RST为复位电，VPD是备用电源,
（4）
/VPP（31脚）：
其中
是片外程序存储器选用端，VPP是片内EPROM编程电源。
2.2直流伺服电动机的概述
2.2.1直流伺服电动机的定义及其结构和分类
直流电动机是把直流电能转换成机械能。
直流伺服电机是属于执行机构的直流电动机，结构则与直流电机相同。
直流伺服电动机的基本结构:
（1）定子:
主磁极,换向磁极,机座,端盖,电刷装置；
（2）转子:
电枢绕组,电枢铁心,换向器,转轴,风扇；
（3）气隙:
定子、转子的间隙。
直流伺服电动机的分类：
小惯量直流伺服电动机、宽调速直流伺服电动机。
2.2.2直流伺服电动机的调速原理
根据电机学中电动机的稳态转速n，为公式2.1所示：
（2.1）
式子中：
U——电枢供电电压（V）；
I——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
R——电枢回路总电阻（Ω）；
——由电机构成结构决定的电动势常数。
由上式可知直流电动机调速可以有：
（1）改变电枢电源电压；
（2）电枢回路中串联电阻；
（3）将励磁磁通中的调节电阻
里励磁电流改变，来减弱励磁磁通。
在本文中，用第一种方法及电枢电源电压来调节整个电路的转速，因为这种调速方法能够得到很好的调速性能。
故不用后两种，如果应用了第二种调速方法，则会使电路中转变速率增大，效率降低，所以此调速方法一般都很少应用；
假如应用第三种调速方法改变励磁电流调速，则就不利于电动机容量的充分利用，故本文设计不应用这两种方法。
2.3PWM控制技术
本次PWM控制就是电枢电源电压的调速方法，由脉冲宽度调制变换器向系统中的直流电动机提供电源，这种系统称为脉冲宽度调制调速控制系统，简称PWM调速系统。
2.3.1PWM调速系统的特点
PWM系统主要特点如下：
（1）主电路不复杂，需要功率器件少；
（2）电流易连续，谐波较少；
（3）稳速准确度高，低速性能较好，调速宽；
（4）导通时损耗低，条件是在功率开关器件工作在开关状态的时候。
2.3.2PWM变换器的工作原理
PWM变换器电路主要分为不可逆与可逆PWM变换电路两大类。
其中不可逆PWM变换电路运行是在第
象限和第
象限内活动，转速只能为同一方向；
如果需要将方向反转，则在增加VT和VD则就构成为可逆的PWM变换电路。
因为本设计要实现对电动机的正反转，故采用可逆PWM变换器，并且用桥式H形电路，如图2.2所示。
其中Ug1、Ug2、Ug3、Ug4表示电动机两端的电压。
图2.2桥式PWM变换器电路
可逆变换器的控制方式有很多种，本文应用双极式控制方式，那么电动机的电压Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。
主要用双极式控制是因为其具有电流一定的连续性，并且能够让电动机在四象限内都可以运动、低速稳定性好等优点。
由于直流电动机要在电路中进行正反转，其在PWM可逆的调速系统中有一个缓慢的过渡过程。
当系统原来得到的平均电枢电流
是正，那么电动机此时就是正向运动；
当系统此时得到一个反向运转的命令后，电动机则会经过一个过渡过程，其中电流环控制电枢电流大小。
3总体硬件方案介绍
3.1硬件电路概述
本设计系统以51单片机作为电动机控制的核心，系统包括七个模块，分别为80C51单片机，LED数码管显示模块、键盘模块、PWM模块、转速检测电路模块，执行电源以及电动机和驱动器等，其系统基本框图如3.1所示。
PWM模块
伺服电动机
测速模块
显示模块
键盘模块
80C51
单片机
图3.1系统总体框图
3.2键盘模块选择
本文采用独立式键盘，分别为K1、K2、K3、K4、K5、这5个功能键：
K1用来实现直流电动机的正转；
K2是来实现直流电动机的反转；
K3是实现电动机的旋转速度的增加；
K4是实现对电动机的转速的减少；
K5是用来控制电路运行后电路中的的停止。
当按下K1键时，电动机开始为正转，此时D1二极管发亮；
当按下K2键的时候，电动机开始从正转往反方向转动，此时的D2二极管发亮，D1熄灭；
当K5键被按下，D3二极管发亮
按键K5功能键连接到单片机P3.2口，是单片机的外部中断0输入端，低电平有效，用来停止运行状态下的电动机；
按键K1、K2、K3、K4分别连接在单片机P3.0、P3.1、P1.2、P1.3口上，因为P3.0和P3.1为80C51单片机上的串行数据接收口和串行数据发送口，与单片机的P1.2和P1.3输入/输出口串联。
当有功能键按下时，通过单片机接收信号传送到达下一个程序来执行相关的命令。
同时，在P1.2、P1.3口各自的输入端接上电阻，输出端接入电容。
这种采用RC滤波消抖的方法，主要作用则是为了能够有效的保证系统的稳定性，去除在按键时产生不稳定的抖动现象。
独立式按键与80C51单片机的连接图如下图3.2所示。
图3.2单片机与键盘的连接
3.3显示模块选择
设计中采用7段LED数码管静态显示方式，数码管外形如下图3.3所示。
图3.3LED数码管外形图
LED数码管分为共阳极和共阴极：
其中共阳极是指把LED上的的阳极连接到一起，而LED每个共阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点），当某个阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示如图3.4
（1）所示；
共阴极是指把LED的阴极连接到一起，而LED每个共阳极分别为a、b、c、d、e、f、及dp,当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光点亮，相应的段被显示。
如下图3.4
（2）所示。
但是此方案耗电流较大，驱动连接较为复杂。
共阳
图3.4
（1）共阳极连接
共阴
图3.4
（2）共阴极连接
在LED显示器中，分为静态显示和动态显示。
所谓静态显示则就是由单片机一次输出显示后，就能保持该时刻的显示结果，直到下一次送入新的显示数码为止；
所谓动态显示就是单片机定时地对显示器件扫描。
动态与静态显示相比动态显示由于每一次只能有一个器件显示，而其他各位则就熄灭，但是因为人们的眼睛有视觉暂留的现象，所以会造成多位同时亮的假象，所以此显示方法一般不常用。
本文采用静态显示的方式，如下图3.5所示。
图3.5利用MC14513的四位静态显示电路
3.4PWM模块
脉宽调制（PWM）是控制模拟电路的一种常用且有效的技术，主要是应用微处理器的数字输出来控制操作。
其中H桥式PWM与单片机如下图3.6所示。
P1.1
P1.0
图3.6H桥功率驱动回路
由上图可知其驱动回路工作原理是;
当Q1和Q4导通，Q2和Q5关断时直流电动机为正转；
当Q2和Q5导通，Q1和Q4关断时直流电动机为反转。
在直流电动机驱动如何控制信号方面，本文采用了占空比可调的周期矩形对信号进行控制。
3.4.1电动机转速的控制
电动机转速一般是在直流电动机电枢上电压来做改变，主要应用是通过调整“占空比”来控制的。
而
如下图3.7所示。
图3.7PWM产生波形
其中Up为脉冲电压幅度：
在周期T内平均电压为公式3.1所示：
（3.1）
此时电机两端得到的电压为公式3.2所示：
（3.2）
式中的
为PWM波形的占空比。
调速时，ρ的可调范围是0～1，定义
则：
（1）当ρ>
0.5时，γ为正，电动机则正转：
（2）当ρ<
0.5时，γ为负，电动机则反转；
（3）当ρ=0.5时，γ=0，电动机则停止。
3.5转速的测量
3.5.1测速传感器的选择
在测量电动机转速的方面，本设计用测速传感器及霍尔传感器A3144。
霍尔传感器则是霍尔元件做成的，霍尔元件就是半导体薄片。
选择霍尔传感器主要是因为它的灵敏度好，稳定性高，安装容易，价格低等优点。
其中转速的采集则是主要使用传感器的红外对管，此红外对管价格便宜且灵敏度高。
转速测量的模块基本结构如下图3.8所示。
整形隔离
霍尔传感器
图3.8测速模块结构图
本文选用的A3144系列的单级高温霍尔效应集成传感器主要是由稳压电源、霍尔电压发生器，差分放大器，施密特触发器和输出放大器组成的磁敏传感器电路。
其输入为磁感应强度，输出为数字电压讯号。
其接线图如3.9所示。
图3.9霍尔传感器连接图
并且在功率电路的输入端应用光电耦合器，这样一来就能够实现更好的信号隔离，从而就阻止了有高电压大电流进去主控制回路。
其中光电耦合器及整形隔离的连接原理图，如下图3.10所示。
图3.10光电耦合器接线原理图
光电耦合器可以实现输入信号的电-光和光-电的转换。
其工作原理是当电信号输入输入端时，发光二极管就通过电流且发光，光敏元件此时因为受到光的照射随后就有电流产生，当输入端信号消失时，发光二极管停止发亮，光敏三极管工作停止。
也就是当输入低电平“0”时，输出则为高电平“1”，此时光敏三极管工作停止；
当输入为“1”时，输出为低电平“0”，光敏三极管此时是饱和导通状态。
3.5.2霍尔传感器的工作原理及其测量方法
测速电机的电机速度便是为了能够让单片机识别脉冲信号然后方便测量电机转速。
其测量的工作过程是霍尔传感器测量转速的同时与电动机的机轴同轴相连，在机轴转一周的时候，就会有对应的脉冲产生，此过程霍尔传感器的输出后，首先要进入光电耦合器，然后才最终形成转数计数器的计数脉冲。
在整个过程中霍尔传感器从输出幅度为12V的脉冲，降到为5V的脉冲。
同时也保持与80C51单片机逻辑电平相位一致，控制计数时间，就可以实现计数器的计数值对应机轴的转速值。
经过主CPU的数据处理后，在LED数码管上反应出来。
电动机的转速测量方法有很多种，主要的方法有以下几种：
（1）M法及测频法：
是在一定时间T内测量取出旋转编码器输出的脉冲个数，用以计算这段时间内的平均转速。
（2）T法及测周期法：
是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速。
（3）M/T法及频率周期法：
是综合M法和T法来实现计算。
就是在检测M的个数同时又检测同一时间两个输出脉冲的间隔时间。
本设计中采用M法，将利用80C51单片机的外部中断引脚来计数，也就是要通过单片机外部的中断信号，应用中断程序对电动机转速的脉冲信号进行技术，测量电动机的转速。
并且把传感器电路的输出端CKMOT与单片机的外部中断引脚（P3.2/P3.3）连接，此接口用于输入计数脉冲。
在此期间，要设定单片机的定时器T0为1秒，并且定义一个外部中断变量作为软件的计数器。
当电动机旋转一周时，也就是CKMOT将输出一个脉冲信号时就产生一次中断请求，CPU响应中断后在中断程序中对将软件计数器作加1运算。
再当定时器T0计时1秒到时，系统将停止中断计数，软件计数器计数值为电机当前的转速。
如下图3.11所示。
图3.11测速模块的连接
3.6主要控制模块
3.6.1时钟电路
本文采用80C51单片机来实现对电路的整体控制，其中时钟控制信号是单片机中最为基本的应用，时钟频率是直接影响单片机速度的，而时钟频率质量的好坏也是能够影响到单片机系统的稳定性，所以时钟控制信号在单片机中是非常重要的应用。
如下图3.12时钟电路图所示，其中电容C1和电容C2典型值一般选择为30pF左右，电容如果没有选择合适，则会影响振荡器频率的高低，其中晶振的频率越高则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。
故设置晶振的频率为12MHz，电容C1和C2为30pF的瓷片电容。
图3.12时钟电路
如果电路发生异常，那么检测电路是否正常的方法就是应用万用表。
当万用表测量18脚对地电压大约是2.24V，19脚对地电压大约为2.09V，那么单片机则为正常工作状态。
3.6.2稳压电源电路
在整个电路中，对于各种IC芯片的运用，则系统更需要一个稳定的电压源，则就需要特定的稳压器件，来构成稳压的电路。
其中一般较为广泛的稳压器件分为两种：
（1）LDC（线性稳压器）：
线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入点啊中减去超额电压，产生经过调解的输出电压。
（2）DC-DC（开关稳压器）：
开关稳压器使用输出级，重复切换“开”或“关”的状态，与能量存贮部件（电容器和感应器）一起产生输出电压。
其两种稳压器的区别在于：
DC-DC是具有效率高、并且能够处理较高的电源密度、低静态电流的特点，但是其开关的噪音比较大，成本也较高，瞬时恢复时间较为缓慢；
LDC具有噪音低、成本低且结构简单等的优点，但是此电源的效率低并且散热不好。
本设计采用LDC线性稳压器，选用的芯片则是7805，因为7805的结构简单，价格便宜，调试方便的优点。
已知7805芯片的最大输出电流为1.5A，输入电压为7~20V，输出电压为4.9~5.1V，静态电流典型值为4.2mA，并且输出与输入的差至少为2V。
稳压电源电路的结构如下图3.13所示。
图3.13稳压电源电路
4总体软件方案介绍
4.1基本的软件原理
本章介绍的内容是软件如何实现各个功能的操作，及其操作的基本步骤。
在软件的应用下，实现对直流电动机的控制，并且能够正确的反应在LED数码管上。
4.1.1键盘的功能
在系统中，设置了有5个键盘，分别实现各种参数的设定，来完成实验的正常进行。
其中各个键的功能不同，分别为：
（1）K1功能键：
K1功能键连接于单片机的P3.0口，其作用是用来控制直流电动机正转运行状态的按键；
（2）K2功能键：
K2功能键连接于单片机的P3.1口，其作用是控制直流电动机反转运行状态的按键；
（3）K3功能键：
K3功能键连接于单片机的P1.2口，其作用是在电动机的运行中，增加电动机转速的控制按键；
（4）K4功能键：
K4功能键连接于单片机的P1.3口，其作用是在电动机的运行过程中，减小电动机转速的控制按键；
（5）K5功能键：
K5功能键连接于单片机的P3.2口，其作用是在停止电动机的运行。
4.1.2LED显示器的功能
在系统中，LED显示器作为显示电路中，电动机的转速数值，数值的输入则都是由单片机的P1口经过MC14513译码器接入到LED数码管显示器中，这样就更能直观的了解系统中电动机的运行速度。
而其中电动机的旋转方向，则是由P0.0、P0.1口上的二极管显示，当直流电动机正转为D1二极管亮起，反之D2亮起。
4.2系统软件流程图
4.2.1单片机主程序流程图
在本次的课程设计中，单片机的主要作用是实现各个芯片的连接，并且实现单片机本身的各种功能，为整个设计程序提供良好的运行环境。
在本设计中采用的8051单片机其主要是能够实现堆栈、内存、定时/计数器、LED显示器，除了单片机80C51本身的作用外，更重要的是能够发送指令，使下位机处于初始状态，这样对整个系统的运行，更为简单。
其主要软件的流程图如下图4.1所示。
图4.1单片机主机流程图
途中的系统初始化包括：
堆栈初始化、定时/计数初始化、内存单元的初始化、LED显示器的初始化。
系统在的执行，本设计软件采用C语言编制，在主机需要初步完成系统中各个程序的初始化，和键盘的识别，还有信息的显示。
其中：
K1是电动机正转的开关按键；
K2是直流电动机的反转按键；
K3是增加直
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