直流电机控制系统的设计.docx

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直流电机控制系统的设计

直流电机控制系统的设计

引言

电动机是把电能转换成机械能的一种设备。

它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。

电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。

电力系统中的电动机大部分是交流电机。

电动机主要由定子与转子组成，通电导线在磁场中受力运动的方向跟电流方向和磁感线（磁场方向）方向有关。

电动机工作原理是磁场对电流受力的作用，使电动机转动。

电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。

一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。

从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：

①保持输入功率不变。

通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。

②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

电机、电动机、制动电机、变频电机、调速电机、三相异步电动机、高压电机、多速电机、双速电机和防爆电机。

1设计系统意义及要求

1.1设计意义

运用电路基础、单片机原理、电机拖动等相关知识采用Protues仿真软件设计直流电机控制系统，实现了直流电机的启动/停止、正传、反转、加速、减速等控制功能，为我们在日常生活中直流电机的运用提供了更多保障，同时巩固了我所学习的相关知识及protues软件的使用，我更加熟悉了各种专业知识的结合，使所学知识形成一个整体。

1.2设计要求

设计一个直流伺服电机电机控制系统，采用PWM控制电机转速，采用桥式驱动控制转向，对LED接口进行设计，描述系统软件流程及各程序模块设计并用仿真演示。

2总体设计方案

2.1系统方案

这个控制系统以AT89C52单片机为核心，以5个按钮作为控制输入端来控制直流电机的启动/停止、正转、反转、加速、减速。

在设计中，采用PWM技术对电机进行控制。

2.2系统框图

该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下几个部分组成：

AT89C52单片机，输入模块，复位电路和时钟电路，四位数码管，驱动电路，直流电机。

图2.1系统框图

2.3PWM控制电机转速

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，进而达到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，从而达到调速的目的。

2.4驱动电路选择

L298芯片的驱动能力强,外围电路简单,故本设计中采用驱动芯片L298驱动直流电机。

2.5程序设计

本设计采用KeiluVision4软件进行编程和编译。

操作流程如下：

（1）创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置；

（2）用C语言创建源程序并编译；

（3）修改源程序中的错误；

（4）用项目管理器生成应用；

（5）测试，连接应用。

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，达到使电机正转、反转、停止、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。

软件采用延时法进行设计。

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输出高低电平时的有效值，进而控制电机的加减速。

图2.2主程序流程图

3电路模块设计

3.1设计总图

图3.1设计总图

3.2单片机AT89C52

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

图3.2单片机AT89C52

3.3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基本模块，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。

如图3.3。

图3.3复位电路和时钟电路

3.4输入开关电路

将P1口作为本设计的输入口。

K0-K2做为通电方式选择键，其中K0为启动/停止控制开关，接P1.0。

K1为正转开关，接P1.1。

K2为反转开关,接P1.2。

K4为加速开关，接P1.3。

K5为减速开关，接P1.4。

将五个开关并联接地。

如图3.4。

图3.4输入开关电路

3.5四位数码管电路

四位数码管用于显示电机转动速度。

本设计中将AT89C52的P0口作为思维数码管的输入口。

因为P0口用作输出口时，来自CPU的“写”脉冲加在D锁存器的CP端，内部总线上的数据写入D锁存器，并由引脚P0.x输出，当D锁存器为1时，Q非端为0，下方场效应管截止，输出为漏极开路，此时必须外加上拉电阻才能有高电平输出，所以数码管电路中外加了上拉电阻R4-R10。

数码管A-G口分别接单片机P0.0-P0.6口。

数码管1-4口采用标号模式接单片机P2.0-P2.3口。

如图3.5。

图3.5四位数码管电路

3.6LED灯电路

直流电机正转时黄灯亮，反转时绿灯亮，不转时红灯亮。

本设计的LED灯电路接AT89C52的P2口。

由于P2口内部有30KΩ左右的上拉电阻，如果高电平输出，则强行从P2口输出的电流会造成单片机端口的损坏；如果端口引脚为低电平，能使电流从单片机的外部流入内部，则将大大增加留过的电流值。

所以当P2口驱动LED发光二极管时采用低电平驱动，加入电阻R1-R3及外接电源+5V。

如图3.6。

图3.6LED灯电路

3.7直流电机驱动电路

本设计的直流电机驱动电路接AT89C52的P3口。

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。

所以采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298来驱动电机。

L298可接受标准TTL逻辑电平信号，可接4.5~7V电压。

4脚接电源电压，电压范围+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。

本设计选用驱动一台直流电机。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制直流电机的正反转。

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。

图3.7直流电机驱动电路

4仿真结果

按下K0按钮后系统启动。

按下K1，直流电机开始正常正转,黄灯亮。

图4.1正常正转

图4.2正转黄灯亮

接着按下K4，直流电机开始加速正转。

图4.3加速正转

如果在正常正转下按下K5，直流电机开始减速正转。

图4.4减速正转

按下K0直流电机开始减速至停止转动，红灯亮。

图4.5停止转动

图4.6停转红灯亮

若启动后按下K2，直流电机开始正常反转，绿灯亮。

图4.7正常反转

图4.8反转绿灯亮

接着按下K4，直流电机开始加速反转。

图4.9加速反转

如果在正常反转下按下K5，直流电机开始减速反转。

图4.10减速反转

按下K0直流电机开始减速至停止转动。

图4.11停止转动

图4.12停转红灯亮

5设计体会

在本次计算机控制技术课内实践中，我综合运用目前所学的单片机原理、计算机控制技术、模拟电子技术基础等专业基础课知识及Keil编程软件、Protues仿真软件，完成了本次课题的设计，能符合设计要求。

通过解决设计过程中出现的问题提高了我发现问题、分析问题和解决问题的能力，使理论知识更好地与实践相结合。

相比以前单纯的理论知识，课内实践更能激发我对专业知识的学习热情，在研究分析并设计课题的过程中，通过查阅书本资料，通过网络查询，通过询问老师与同学等方式解决了许多设计过程中遇到的问题，巩固了我对各学科知识的学习方法和渠道。

在课内实践开始前我感觉比较难，当我开始构思设计后，的确发现课内实践需要努力思考分析并实践才能做出结果。

在设计过程中，通过书籍、网络等方式查阅设计所需的各种资料。

控制系统仿真过程也是一个学习且运用的过程，通过这次课内实践的控制系统仿真，我能更加熟练地使keil编程软件和Protues仿真软件，对以后的学习、工作有很大帮助。

通过本次课内实践，我对目前所学专业课程书中出现的知识有了更深层次的了解，比如设计四位数码管显示电路、P1-P3口驱动LED发光二极管应采用低电平驱动、直流电机驱动电路等。

同时，我在思想观念和学习态度上也有很大改变，以前认为书本上的知识主要是用来考试的，而现在我还明白了书中知识在生产、生活中的实践应用，这些应用为今后构建智能化社会提供了有力保障。

本次课内实践让我收获很多，十分感谢教学安排的这次课内实践，也十分感谢老师的指导和同学的帮助。

参考文献

[1]张毅刚.单片机原理与应用.（第二版）.高等教育出版社.2010

[2]于海生.计算机控制技术.机械工业出版社.2011

[3]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.电子工业出版社.2009

[4] 杨兴姚.电动机调速的原理及系统.北京:

北京水利电力出版社,2003

[5] 王小明.电动机的单片机控制.北京:

北京航空航天大学出版社,2002

[7] 周润景.基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：

北京航空航天出版社，2006

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