基于PWM控制的直流电动机调速系统设计设计.docx
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基于PWM控制的直流电动机调速系统设计设计
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计设计
毕业论文（设计）
题目：
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
本科生毕业论文（设计）评语
（一）
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毕业论文（设计）题目：
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
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黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语
（二）
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基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
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黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）评语（三）
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基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
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黑龙江东方学院本科生毕业论文（设计）任务书
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毕业论文（设计）题目：
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
毕业论文（设计）的立题依据
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，过载能力强，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。
本课题的目的是要设计一种基于PWM控制的直流电动机调速系统，利用STC89C52单片机控制PWM信号，从而实现电压的改变，最后控制直流电动机进行调速。
主要内容及要求
1.选择STC89C52单片机为控制芯片。
2.采用PWM方式控制直流电动机进行调速。
3.转速采用LCD显示。
4.应用C语言进行软件编程。
进度安排
2011-12-20～2012-01-20查阅资料，方案论证，系统设计
2012-01-21～2012-03-31软硬件设计及调试
2012-04-01～2012-05-18撰写论文，准备答辩
学生签字：
指导教师签字：
年月日
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
摘要
近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，为满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，对直流电机调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足实际应用的要求，通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
本论文主要研究了利用STC89C52单片机控制PWM信号从而实现对电压改变最后控制直流电机进行调速，并且通过单元模块电路分析了整个系统的工作原理。
以C语言进行软件编写，通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，单片机根据程序进行操作，进一步控制了H桥电路的输入信号，而测速系统把电机转速反馈给单片机通过按键控制其转速，LCD把转速显示出来，从而实现电动机的调速、变向等功能，这种设计方法的电路简单，具有操作简单、非常实用前景和价值。
关键词：
直流电机；STC89C52；PWM调速；L298；LCD1602
PWMDCmotorcontrolsystemdesign
Abstract
Inrecentyears,withadvancesintechnology,theDCmotorhasbeenmorewidelyused,DChasexcellentspeedcharacteristics,speedissmooth,convenient,widespeedrange,overload,abletowithstandfrequentimpactloads,canachievefrequentPromisefaststart,brakeandreverse,youneedtomeetavarietyofspecialrequirementsoftheproductionprocessautomationsystems,thehigherrequirementsoftheDCmotor,changethearmaturecircuitresistancespeed,changingthevoltagegovernorthetechnologyhasbeenfarfromsatisfyingtherequirementsofmoderntechnology,whichcameintobeingthroughPWMcontrolofDCmotorspeedcontrol.
Inthisthesis,theSTC89C52controlPWMsignalinordertoachievethefinalcontrolofDCmotorspeedcontrol,andthewholesystemworksthroughtheunitmodulecircuitvoltagechange.Inthisthesis,softwarewritteninClanguage,thePWMsignaldutycycleadjustbysoftwareprogramming,microcontrolleraccordingtotheprocedures,tofurthercontroltheinputsignaloftheH-bridgecircuit,velocimetrysystem,themotorspeedfeedbacktothemicrocontrollerthroughthebuttoncontrolitsspeed,theLCD,thespeedisdisplayed,enablingthemotorspeed,andchangethefunctiontosuchassimplecircuitofthisdesignmethodissimple,verypracticalprospectsandvalue.
Keywords：
DCmotor;STC89C52;thePWMspeedcontrol;L298;theLCD1602
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计
第1章绪论
1.1开发背景
当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求：
如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。
为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制：
为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速[1]。
电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。
各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。
三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代[2]。
随着微控制器尤其是脉宽调制PWM专门控制芯片的飞速发展，其对电机控制方面的应用起了很重要的作用，为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。
本文对基于PIC单片机的直流电机PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流PWM调速系统的数学模型。
用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。
在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。
在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。
该方案以驱动芯片与一些外围电路。
通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。
1.2国内外研究趋势
直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下几种：
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等[3]。
特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机—电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需要地基、运行有噪声、维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机—电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机—电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力[4]。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（1000）高10倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级[5]。
因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。
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[6]。
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。
随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。
计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。
1.3技术要求及工作内容
本系统主要是利用单片机的定时器产生PWM脉冲通过驱动电路进行直流电机调速，键盘操纵电机进行停、转、正反转、加速、减速。
另一方面通过测速电路把电机的转速送给单片机在通过液晶显示出来，从而可以直观的控制电机转速。
系统可以划分为主控电路（单片机STC89C52）、直流电机驱动电路（采用L298设计驱动电路）、液晶显示按键功能电路（LCD1602）、电源电路、测速电路等模块，采用PWM基本原理，以硬件电路为基础，以C语言进行程序编写，只要通过软件编程，单片机根据程序进行控制，调节PWM信号占空比，，进一步控制了L298驱动电路的PWM输入信号，从而控制了直流电机的电压，改变电机电压的大小就可以改变电机转动的速度，改变电机电压的方向就可以改变电动机的转动方向，这样就可以实现了单片机控制直流电机调速系统的基本功能，可以通过LCD显示出电机的转速。
第2章直流电机调速系统总体设计
2.1系统总体框图设计
方案说明：
直流电机PWM调速系统以STC89C52单片机为控制核心，由命令输入模块、测速系统模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。
采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，测速系统把反馈数据给单片机，完成电机正，反转和急停控制；同时单片机不停的将测得转速送到LCD完成实时显示[7]。
直流电机调速系统总体框图见图2-1。
图2-1系统总体框图
2.2PWM调速原理
PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：
电机调速、温度控制、压力控制等等。
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，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
图2-2占空比示意图
如图2-2所示：
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的[8]。
严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。
2.3PWM调速方法
采用定时器做为脉宽控制的定时方法。
如果采用软件延时方法，此方法在精度上不及定时器，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
2.4PWM控制流程图
在本设计中PWM脉冲调制的控制流程见图2-3。
图2-3PWM脉冲调制的控制流程图
2.5各模块作用
本设计主要模块由命令输入模块、电机驱动模块、独立键盘模块、测速系统模块、LCD显示模块几部分组成。
命令输入模块主要是由STC89C52为核心产生PWM波形，改变输出电压从而控制直流电机的转速。
电机驱动模块是用来驱动直流电机。
独立键盘模块是控制电机停、转、正反转、加速、减速。
测速系统模块在本设计采用的是红外传感器（由红外线发射管、红外线接收管构成的红外计数电路）组成的能把直流电机实时转速反馈给单片机。
LCD显示模块时把测速模块得来的数据在LCD显示屏上显示出来。
2.6本章小结
本章主要介绍了系统的总体思路、框架。
PWM的工作原理和调速方法，PWM是通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，本系统主要是由命令输入模块、电机驱动模块、独立键盘模块、测速系统模块、LCD显示模块几部分组成。
第3章系统硬件设计
本设计硬件模块主要采用STC89C52控制模块、L298电机驱动模块、LCD1602液晶显示模块、独立键盘控制模块、测速系统模块。
3.1单片机控制模块
直流电机调速系统的控制模块图3-1。
图3-1直流电机调速系统的控制模块图
这里利用定时计数器让单片机P3口的P3.4引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动芯片L298放大后控制直流电机。
驱动芯片的输入电压是两引脚的电压差，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。
当需要改变电机转动方向时，两个引脚的输出相反。
定时计数器10us中断一次，就使P3.4产生一个高电平或低电平。
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。
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。
精确的讲，平均速度与占空比并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似看成线性关系。
3.1.1STC89C52的简介
在常用的89系列的单片机中，51系列只有4K字节的在系统可编程Flash存储器，128字节RAM。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，操作方便，引脚也充足，而且STC89C52，支持ISP串口下载，使得STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
3.1.2STC89C52主要性能
图3-2STC89C52
STC89C52主要功能特性如下：
1．兼容MCS51指令系统；
2．8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
3．32个双向I/O口；
4．256x8bit内部RAM；
5．3个16位可编程定时/计数器中断；
6．时钟频率0-24MHz；
7．2个串行中断，可编程UART串行通道；
8．2个外部中断源，共8个中断源；
9．2个读写中断口线，3级加密位；
10．低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；
11．有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式。
我们通过编写程序来控制单片机执行相应的指令，从而实现对指定电路的控制。
STC89C52编程前，要设置好地址、数据及控制信号，编程方法如下：
1.在地址线上加上要编程单元的地址信号。
2．在数据线上加上要写入的数据字节。
3．激活相应的控制信号。
4．在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。
5．每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。
每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。
重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。
3.2电机驱动模块
电机驱动模块采用的是L289芯片。
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
（1）L298内部的原理图
L298内部结构见图3-3。
图3-3L298内部结构
（2）L298内部H桥驱动电路
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H如图3-4。
4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图3-4H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。
例如，如图3-5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图3-5H桥驱动电机顺时针转动
图3-6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
图3-6H桥驱动电机逆时针转动
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管[9]。
基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
（3）L298的逻辑功能
当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号，IN2为低电平信号时，电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时，电机反转；IN1与IN2相同时，电机快速停止。
当使能端为低电平时，电动机停止转动。
详细逻辑见表3-1。
表3-1L298的逻辑功能
IN1
X
IN2
X
ENA
0
电机状态
停止
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
顺时针
逆时针
停止
停止
（4）单片机与L298的连接
单片机和L298连接如图3-7。
图3-7单片机和L298连接
3.3液晶显示模块
显示模块采用的是LCD1602。
（1）LCD1602液晶的结构如图3-8所示。
图3-8LCD1602液晶的结构
LCD1602主要技术参数：
显示容量：
16×2个字符芯片工作电压：
4.5—5.5V工作电流：
2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压：
5.0V1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号等。
（2）LCD1602液晶主要接口
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会
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