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辽宁工业大学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）

题目：

单片机控制直流电动机调速系统设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

自动化084

学号：

080302111

学生姓名：

吴江

指导教师：

起止时间：

2011-07-06至2011-07-15

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

自动化

学号

080302111

学生姓名

吴江

专业班级

自动化084

课程设计（论文）题目

单片机控制直流电动机调速系统设计

课程设计（论文）任务

课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数及实现功能

设计任务及要求

1、分析系统功能，确定系统硬件组成；

2、设计系统的硬件电路图；

3、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求；

4、上机调试、完善程序；

5、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书在4000字以上。

技术参数

采用PWM方式实现直流电机斩波调速；电动机：

10kW/220V/55A/0-1000转/分；具有手动速度调整按键（速度+速度-）；实时显示转速值。

进度计划

1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）

2、硬件设计（2天）

3、按系统的控制要求，完成软件设计（2天）

4、上机调试、修改程序（2天）

5、撰写、打印设计说明书（2天）

6、答辩（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。

直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。

本文主要研究了利用89C51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。

文章中采用了专门的芯片组成了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。

关键词：

单片机；直流电动机；PWM技术

目录

第1章概述1

第2章课程设计的方案2

2.1系统控制要求2

2.2PWM降压斩波器原理3

2.3系统结构组成4

第3章硬件设计5

3.1单片机介绍5

3.2直流电机介绍7

3.3按键电路8

3.4滤波电路9

3.5显示电路9

3.6驱动电路10

第4章系统原理图11

第5章软件设计12

5.1程序流程图12

5.2程序清单13

第6章课程设计总结18

参考文献19

概述

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。

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。

本次课设采用单片机输出PWM波控制直流电机斩波调速。

课程设计的方案

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机等领域得到了广泛的应用。

电动机的转速调节方法有三种：

调压调速、弱磁调速、电枢串电阻调速。

其中调压调速方式最好。

设计要求利用单片机输出PWM波形，通过改变占空比，改变电枢两端电压的平均值，从而改变电动机的转速，并能实时显示转速值。

系统控制要求

单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。

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。

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”。

本系统以单片机为核心，通过单片机控制，软件语言编程实现对直流电机的平滑调速。

本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以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为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。

本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。

脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需

要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

（2-1）

式中：

Ua——电枢供电电压（V）；

Ia——电枢电流（A）；

Ф——励磁磁通（Wb）；

Ra——电枢回路总电阻（Ω）；

Ce——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式（2-1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：

（1）改变电枢回路总电阻Ra；；

（2）改变电枢供电电压Ua；（3）改变励磁磁通Ф。

本次课设采用改变电枢供电电压Ua的方法来改变电动机的转速。

PWM降压斩波器原理

电动机在正、反向两个方向调速运转时，即可逆调速时，就要使用桥式（或称H型）降压斩波电路。

在图2.1中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。

设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间（为避免电源直通短路。

该间隔时间称为死区时问）之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断。

电动机电枢端电压波形如图2.1所示:

图2.1桥式PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形

a）原理图b）输出电压波形

电动机电枢端电压的平均值为

（2-2）

由于0≤

≤1，Ua值的范围是-Ud～+Ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。

系统结构组成

本系统采用89C51控制输出数据，由驱动电路驱动直流电机，并通过显示电路实时显示转速值，各组成部分的器件如图2.2所示：

图2.2系统结构框图

硬件设计

单片机介绍

本次设计中主要应用了89C51单片机，该单片机由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。

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：

89C51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：

89C51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：

89C51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。

89C51单片机引脚介绍：

P0.7---P0.0：

这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第一种情况是89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是89C51带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：

这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。

它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：

这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。

它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。

89C51引脚图如图3.1所示：

图3.189C51引脚图

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/

：

地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，89C51CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/

线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制89C51使用片内ROM还是片外ROM。

如果

=1，那么允许使用片内ROM；如果

=0，那么允许使用片外ROM。

XTAL1和XTAL2：

片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接89C51片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于89C51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。

单片机最小系统如图3.2所示：

图3.2单片机最小系统

直流电机介绍

直流电动机工作模型如图3.3所示：

N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。

磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。

铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形换向片上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

图3.3直流电动机工作模型

直流电动机工作原理：

将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。

导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。

用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。

这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。

实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。

按键电路

本次设计的开关由K1和K2两个按键组成，当按K1键时，电压升高，转速上升，当按K2键时，电压下降，转速下降。

其简要的电路图如图3.4所示：

图3.4按键电路图

滤波电路

经整流后的单向直流或单向脉动直流电，都是由强度不变的直流成分和一个以上的交流成分叠加形成的。

为了使脉动直流电变得较为平稳，把其中的交流成分滤掉，叫做滤波。

滤波有电容滤波、电感滤波等。

本系统中对直流电采用电容滤波的方式，使得直流电压变得更加平稳，调速更加精确。

电路图如图3.5所示：

图3.5滤波电路图

3.5显示电路

采用PWM方式实现直流电机斩波调速后，通过89C51单片机控制输出PWM波形，通过改变占空比，改变电枢两端电压的平均值，从而改变电动机的转速，并能实时显示转速值。

用Protel画出显示转速数码管电路图3.6下所示：

图3.6显示电路原理图

3.6驱动电路

基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。

驱动电路如3.7所示：

图3.7H桥的电机驱动电路

系统原理图

本次系统的原理图如图4.1所示:

图4.1系统原理图

软件设计

程序流程图

主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。

其程序流程图如图5.1所示

图5.1主程序流程图

图5.2所示为程子序流程图，当按K1键时，电压Ua升高，转速n上升，当按K2键时，电压Ua下降，转速n下降;定时器1中断用来产生周期为1ms的脉宽信号，定时器每次中断后改变下一次的定时设置，设置值由按键决定，按key1，高脉宽定时时间加大，按key2，低脉宽定时时间增大，每次变化10uS。

图5.2子程序图

程序清单

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG001BH

AJMPINTT1

ORG0100H

MAIN:

MOV60H,#0FEH//存放高电平的脉宽时间，定时500us

MOV61H,#0CH

MOV62H,#0FEH

MOV63H,#0CH//存放低电平的脉宽时间，定时500us，刚开始时，高低电平各为50％，此时电压为输入电压的一半，电机此时的转速为最低。

调速设定为向上调节，即按加键时转速上升，此时按减键，转速不变。

CLRP2.0

MOVTMOD,#10H//定时器1用来产生脉宽，周期固定为1mS，

MOVTH1,60H

MOVTL1,61H

SETBEA

SETBET1

SETBPT1

SETBTR1

SETBP2.6

READKEY:

SETBP1.2

CLRP1.0

JNBP1.2,DELAY

JNBP1.3,DELAY

AJMPREADKEY

DELAY:

LCALLDL10MS;去抖

SETBP1.2

CLRP1.0

JNBP1.2,HAVEKEY1//假设电路板接两个键，分别为key1和key2，key1为脉宽增加，key2为脉宽减小

JNBP1.3,HAVEKEY2

AJMPREADKEY

HAVEKEY1:

MOVA,61H//是加键，60H61H值减小，高电平脉宽增加，62H63H值增大，低电平时间减小

CLRC

SUBBA,#0AH

MOV61H,A

MOVA,60H

SUBBA,#00H

MOV60H,A

CLRC

MOVA,63H

ADDA,#0AH

MOV63H,A

MOVA,62H

ADDCA,#00H

MOV62H,A

MOVR2,60H

MOVR3,61H

MOVR6,#0FCH

MOVR7,#18H

LCALLNSUB1

JNCCONTINU

MOV60H,#0FCH//超出调速范围，即高脉宽大于1ms溢出了，则保持此数值

MOV61H,#18H

MOV62H,#0FFH

MOV63H,#0FBH

CONTINU:

AJMPNOTXS

HAVEKEY2:

MOVA,63H//是减键，60H61H值增加，高电平脉宽减小，62H63H值减小，低电平时间增大

CLRC

SUBBA,#0AH

MOV63H,A

MOVA,62H

SUBBA,#00H

MOV62H,A

CLRC

MOVA,61H

ADDA,#0AH

MOV61H,A

MOVA,60H

ADDCA,#00H

MOV60H,A

MOVR2,62H

MOVR3,63H

MOVR6,#0FDH;#0FCH//考虑到低电平过多，电压很低，电机无法运行，所以设定低电平最长保持700us，高电平最少300us

MOVR7,#44H;#18H//0FC18是低电平保持1ms，高电平几乎为0的情况，这种情况输出电压几乎为0，电机停止

LCALLNSUB1

JNCNOTXS

MOV60H,#0FEH//高电平最少保持300us，低电平最大700us

MOV61H,#0D4H

MOV62H,#0FDH

MOV63H,#44H

NOTXS:

LJMPREADKEY

RET//双字节减法子程序，功能：

（R2R3）-（R6R7）---->R4R5

NSUB1:

MOVA,R3

CLRC

SUBBA,R7

MOVR5,A

MOVA,R2

SUBBA,R6

MOVR4,A

RET//定时器1中断，总周期20ms，其中高电平时间由6061h决定，低电平时间由6263h确定。

定时的时间由键盘设定，按加键60H61H每次设定减小500uS的时间，使高电平时间增加，按减键62H63H每次设定减少500uS的时间，高电平时间减小

INTT1:

PUSHPSW

PUSHACC

SETBRS0

CLRRS1

JNB20H,XGTHTL

CLR20H

MOVTH1,62H

MOVTL1,63H

SETBP2.6

AJMPRETIEND

XGTHTL:

SETB20H

MOVTH1,60H

MOVTL1,61H

CLRP2.6

RETIEND:

POPACC

POPPSW

RETI

DL10MS:

MOVR6,#30

DDCWM:

MOVR7,#0FAH

DCWM:

DJNZR7,DCWM

DJNZR6,DDCWM

RET

END

课程设计总结

本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的89C51单片机为核心的，而采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。

经过这几天的课程设计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有要有扎实的理论基础，还要有坚持不懈的精神。

本产品实现了对直流电机的调速，个人感觉其中还有许多不够完善的地方，例如：

对电机的控制采用的是独立按键，而非矩阵键盘；电机的驱动电路的设计也不是很成熟。

此次的设计并不奢望一定能成功，但一定要对已学的各种电子知识能有一定的运用能力，我做设计的目的是希望能检查下对所学知识的运用能力的好坏，并且开始慢慢走上创造的道路。

参考文献

[1]梅丽凤等.单片机原理及接口技术（第3版）.清华大学出版社.2009年.

[2]王兆安等.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社.2000年.

[3]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京.中国电力出版社，2007年.

[4]陈伯时.运动控制系统[M].北京.机械工业出版社.2003年.

[5]黄家善等.电力电子技术[M].北京.机械工业出版社.2007年.

[6]孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用[M].北京.中国电力出版社.2008年.

[7]杨素行.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.2003年.

[8]陈明荧.8051单片机基础教程[M].科学出版社.2003年.

[9]康华光.电子技术基础数字部分[M].高等教育出版社.2004年.

[10]李广第.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社.1999年.