直流电动机控制系统的设计任务+开题+综述+设计.docx
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直流电动机控制系统的设计任务+开题+综述+设计
任务书
电子信息工程
直流电机控制系统的设计
一、主要任务与目标：
随着电子技术的高度发展,直流电机测控逐步从模拟化向数字化转变。
直流电机由于采用PWM调速,在进一步提高直流电机性能的同时又使得直流电机的测控精确性得到提升。
本设计要求采用单片机实现对直流电机速度的控制，同时可以测量出电机的转速度并显示。
二、主要内容与基本要求：
课题要求利益C8051F005单片机及其PCA模块，设计电机驱动模块，配合光电元件检测电机的转速，实现对直流电机的转速控制，利用LED数码管，实时显示电机的当前转速，同时可以设定转速上下限，超限报警。
三、计划进度：
毕业设计期限：
自2010年10月1至2011年4月5日。
第一阶段（4周）：
分析任务，收集资料，系统总体方案设计，完成开题报告、文献综述、外文翻译。
第二阶段（4周）：
设计与写论文，硬件电路与软件程序设计，撰写设计报告与论文。
第三阶段（2周）：
设计作品完善，论文修改。
四、主要参考文献：
[1]历风满.数字PID控制算法的研究[J].辽宁大学学报,2005,32（4）:
367～370.
[2]包松,鲍可进,余景华.基于单片机PID算法的直流电机测控系统[J].微机发展,2003,13（8）:
72~74.
[3]张琛.直流无刷电机原理及应用[M].北京:
轻工业出版社,2005年.
[4]李维军，韩小刚，李晋.基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统[J].机电一体化，2004（5）：
50~52.
[5]羊彦,景占荣,毕强,等.无刷直流电动机数字PID控制的研究[J].电机与控制学报,2004,7（4）:
299~302.
开题报告
电子信息工程
直流电机控制系统的设计
一、课题研究意义及现状
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。
长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。
伴随着人们对控制系统的要求越来越高，电机调速成了人们研究的热门课题。
现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。
直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以使用较少。
电枢电压控制法总体上可以分为两种,一种是调节电压,一种是调节电流.传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的,这种电路虽然响应快,但是灵活性较差,维修复杂.单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。
通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在.单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠应用广泛、通用性强等突出优点。
尤其是脉宽调制（PWM）直流调速技术的应用，使得直流电机得到广泛应用。
为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。
但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。
因此采用N沟道增强型场效应管构建H桥，实现大功率直流电机驱动控制。
该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用PWM技术实现直流电机调速控制。
电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、危机应用技术的最新发展成果。
正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。
而国外交直流系统数字化已经达到使用阶段
二、课题研究的主要目标任务和预期目标
主要内容目标：
本课题要求采用单片机实现对直流电机速度的控制，同时测量出电机的转速并显示。
主要指标：
1利用C8051F005单片机及其PCA模块；
2设计电机驱动模块，配合电光元件检测电机的转速，实现对直流电机的转速控制；
3利用LED数码管，实现显示电机的当前转速;
4同时可以设定速度上下限，超时报警;
预期目标：
⑴学习了解直流电机控制系统的基本原理。
⑵学习掌握了LED的显示设计原理
⑶编程实现一种基于单片机的直流电机控制系统。
⑷完成一篇应用性论文。
三、课题研究的方法及措施
首先是查阅书籍，了解关于直流电机控制系统设计的一些基本原理，比如单片机应用原理、LED数码显示设计等；然后通过收集相关论文，找出最新、最合理的设计方案来设计直流电机控制系统。
如上图所示就是一个基本的直流电机控制系统框图。
由单片机产生一个PWM脉冲来驱动SPGT62C19B芯片，进而控制直流电机的转速，并由转速测量装置把电机的转速反馈到单片机并在显示器上显示出来，通过按键控制单片机输出的PWM脉冲，从而一步一步向预期转速靠近。
最后写好论文和答辩PTT，进行毕业答辩。
四、课题研究进度计划
毕业设计期限：
自2010年10月1日至2011年4月5日。
第一阶段（4周）：
搜集资料，分析课题，系统总体方案设计，完成开题报告、文献综述。
第二阶段（4周）：
设计与写论文，硬件电路与软件程序设计，撰写设计报告与论文。
第三阶段（4周）：
设计作品完善，文论修改。
五、参考文献
[1]历风满.数字PID控制算法的研究[J].辽宁大学学报，2005，32（4）:
367～370.
[2]包松，鲍可进，余景华.基于单片机PID算法的直流电机测控系统[J].微机发展，2003，13（8）：
72～74.
[3]张培仁，孙力主编.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].清华大学出版社，2007年11月.
[4]杨辉先，黄辉光.单片机原理及应用[M].人民邮电出版社，2006年10月.
[5]窦振中，单片机外围器件使用手册[M].北京航空航天大学出版社，2003.
[6]张立勋,沈锦华,路敦民,等.AR单片机实现的直流电机PWM调速控制器[J].机械与电子,2004（4）:
29-32
[7]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京:
机械工业出版社,2003
[8]邓星钟.机电传动控制[M].武汉:
华中科技大学出版社，2001.
[9]郭海英.微机控制PWM直流调速系统设计[J].武汉:
华中科技大学出版社，2006．
[10]潘新民.微型计算机控制技术[M].北京：
电子工业出版社，2003.
毕业论文文献综述
电子信息工程
直流电机控制系统的设计
随着人们对控制系统的要求越来越高,电机调速成了人们研究的课题,现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。
直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小,但低速时受到磁饱和的限制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制,而且由于励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以使用较少。
电枢电压控制法总体上可以分为两种,一种是调节电压,一种是调节电流.传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的,这种电路虽然响应快,但是灵活性较差,维修复杂。
单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。
通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在。
单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点[1]。
一、研究背景及动态
起先的电机电枢电压调节法采用串联电阻调速法,这种方法耗能大、且调速不太平稳,逐渐被其他调速装置代替[2]。
以后又出现了晶闸管、MOSFET,IGBT等为主控元件的调速装置。
电子技术的高速发展,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进入一个新的阶段。
传统的晶闸管直流调速系统控制回路的硬件设备极其复杂,安装调试困难,相对故障率较高,维修比较困难。
而采用单片机控制的电机调速系统,其控制方案是依靠软件实现的,控制器由可编程功能模块组成,配置和参数调整简单方便,工作稳定[3]。
直流电动机转速的控制方法可分为两类：
励磁控制法和电枢电压控制法。
常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的，但这种传统的调压调速方法效率低。
随着电力电子技术的发展，创新了许多新的电枢电压控制方法。
其中PWM（脉宽调制）是常用的一种调速方法。
脉宽调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法,它不仅容易由软件来实现,而且从处理器到被控制信号都是数字形式无需数模转化,加上PWM对噪声的抵抗能力强。
使得PWM成为目前电机调速的主要方法[4]。
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[5]。
二、方案分析
1.基于FPGA直流电机PWM控制系统
图2-1基于FPGA的直流电机PWM控制系统框架
基于FPGA的直流电机PWM控制系统是以FPGA芯片为控制核心，通过按键设定电机速度和PWM占空比，由FPGA的I/O口控制直流电机驱动芯片驱动直流电机的转动。
转速的测量由码盘完成，速度显示由数码管来实现。
如图2-1所示基于FPGA的直流电机PWM控制系统分：
转速调节模块，脉宽调制（PWM）模块，速度检测模块，串行通信模块。
由于FPGA具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的控制算法，从而提高了控制性能；还可将大量的裸机控制功能和外围接口电路集成在芯片中，进而提高了运动控制器的可靠性和稳定性；同时，因为FPGA具有在现场可重构的特性，保证了所设计的电机控制模块具有良好的开放性，也大大方便了系统的设计和调试。
所设计的控制模块兼具体积小、使用灵活、实时性强、调速范围宽、可靠性高等优点。
2.基于单片机的PWM直流电机控制系统
如图2-2所示，就是一个基本的基于单片机PWM的直流电机控制系统框图。
由单片机产生一个PWM脉冲来驱动SPGT62C19B芯片，进而控制直流电机的转速，并由转速测量装置把电机的转速反馈到单片机并在显示器上显示出来，通过按键控制单机输出的PWM脉冲，从而一步一步向预期转速靠近。
图2-1PMW直流电机控制系统
三、评述
脉宽调制本质上是一种电压调速,它结合其他元件改变电机电枢在一定周期内的导通时间,调节电机两端的平均电压,达到调节电机速度的目的。
采用脉宽调制控制电机电枢的通断与串电阻调节法相比,减少了电能在电阻中的损耗,能够节约能源。
在硬件电路的搭建上面,一般采用闭环控制方式。
通过两个定时器对电机的转速进行测量,由于51单片机的定时器只有两个,需要通过程序或结合其他外设来产生控制脉冲,当然也可以采用52单片机。
用单纯程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件法在电动机控制中,要不停地产生控制脉冲,占用了大量的CPU时间。
所以一般结合定时器来产生脉冲[6]。
当要求控制脉冲频率较高时候,还需要外加一些模块来产生PWM,比如PWM波形发生器。
在自动调速的算法上一般采用PID算法,通过目标量与检测量进行比较,再由算法来调制脉宽[7]。
四、结论
脉宽调制调速法突破传统的串电阻调速,节省了电能。
单片机来实现电机调速为电机调速提供了新的方法[3]。
它虽然没有传统的模拟数字电路调速来得反应快,但是由单片机搭建的电机调速电路要比使用模拟数字电路简单得多。
不仅节约了成本而且单片机灵活性高,可以重复编程。
当实际的环境条件改变以后,可以通过改变程序来实现不同的功能[10]。
参考文献：
[1]窦振中，单片机外围器件使用手册[M].北京航空航天大学出版社，2003.
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版北京:
机械工业出版社,2003
[3]邓星钟.机电传动控制[M].武汉:
华中科技大学出版社，2001.
[4]张立勋,沈锦华,路敦民,等.AR单片机实现的直流电机PWM调速控制器[J].机械与电子,2004,（4）:
29-32
[5]包松，鲍可进,余景华.基于单片机PID算法的直流电机测控系统[J].微机发展，2003，13（8）：
72～74
[6]张培仁，孙力主编.基于C语言C8051F系列微控制器原理与应用[M].清华大学出版社，2007年11月.
[7]历风满.数字PID控制算法的研究[J].辽宁大学学报，2005，32（4）:
367～370.
[8]郭海英.微机控制PWM直流调速系统设计[M].武汉:
华中科技大学出版社，2006．
[9]潘新民.微型计算机控制技术[M].北京：
电子工业出版社，2003.
[10]杨辉先，黄辉光.单片机原理及应用[M].人民邮电出版社，2006年10月.
本科毕业设计
（20届）
直流电动机控制系统的设计
摘要
本设计是采用SPGT62C19B芯片对电机进行驱动并通过C8051F005单片机以及电机控制电路实现对直流电机速度测量和调节，并利用4个按键对电机进行转速和正反转的控制。
并且可以实时测量电机的实际转速，并在LCD液晶显示器上显示出来；对电机进行PID转速调节，使其转速趋近于设定值。
以及利用PID算法实现直流电机脉冲脉宽调制（PWM）调速的方法。
并在SiliconLabs单片机开发软件上进行调试。
关键词：
单片机；直流电机；PID算法；脉宽调制
Abstract
ThisdesignisadoptedtomotordrivenSPGT62C19Bchip,AndthroughtheMCU（Microcontroller）C8051F005andmotorcontrolcircuittorealizationoftheDC（DirectCurrent）motorspeedmeasurementandadjustment,andtheuseoffourbuttonsonthemotorspeedandpositive&negativecontrol.Andcanreal-timemeasuringmotorspeed,andintheactualdisplayedonLCD（LiquidCrystalDisplay）;OnthemotorPIDspeedadjustment,makeitsspeedisapproachingtovalue.TheuseofPIDalgorithmtorealizedc-motorPWM（PulseWidthModulation）-speedmethod.AndinSiliconLabsMCUdevelopmentsoftwaretesting
KeyWords:
MCU;DCmotor;PIDalgorithm;PWM
1引言
1.1研究直流电机控制系统的意义
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。
无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机[1]。
长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。
伴随着人们对控制系统的要求越来越高，电机调速成了人们研究的热门课题。
1.2直流电机控制系统的发展趋势及现状
现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。
直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通,其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以使用较少。
电枢电压控制法总体上可以分为两种，一种是调节电压，一种是调节电流。
传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的，这种电路虽然响应快，但是灵活性较差，维修复杂。
单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。
通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在。
单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠应用广泛、通用性强等突出优点[2]。
电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。
正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。
而国外交直流系统数字化已经达到使用阶段[3]。
2方案设计
2.1设计任务
本设计的任务是设计一个直流电机转速的控制系统，并在LCD显示器上显示当前电机的转速，并能通过按键调整电机的转速。
2.2方案分析
直流电动机转速的控制方法可分为两类：
励磁控制法和电枢电压控制法。
常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的，但这种传统的调压调速方法效率低。
随着电力电子技术的发展，创新了许多新的电枢电压控制方法。
尤其是脉宽调制（PWM）直流调速技术的应用，使得直流电机得到广泛应用[4]。
2.2.1基于FPGA的直流电机PWM控制系统
图2-1基于FPGA的直流电机PWM控制系统框架
基于FPGA的直流电机PWM控制系统是以FPGA芯片为控制核心，通过按键设定电机速度和PWM占空比，由FPGA的I/O口控制直流电机驱动芯片驱动直流电机的转动。
转速的测量由码盘完成，速度显示由数码管来实现。
如图2-1所示。
由于FPGA具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的控制算法，从而提高了控制性能；还可将大量的裸机控制功能和外围接口电路集成在芯片中，进而提高了运动控制器的可靠性和稳定性；同时，因为FPGA具有在现场可重构的特性，保证了所设计的电机控制模块具有良好的开放性，也大大方便了系统的设计和调试。
所设计的控制模块兼具体积小、使用灵活、实时性强、调速范围宽、可靠性高等优点[5]。
2.2.2基于单片机的直流电机PWM控制系统
如图2-2所示，就是一个基本的基于单片机PWM的直流电机控制系统框图。
由单片机产生一个PWM脉冲来驱动SPGT62C19B芯片，进而控制直流电机的转速，并由转速测量装置把电机的转速反馈到单片机并在显示器上显示出来，通过按键控制单机输出的PWM脉冲，从而一步一步向预期转速靠近[6]。
图2-1PMW直流电机控制系统
脉宽调制调速法突破传统的串电阻调速,节省了电能。
单片机来实现电机调速为电机调速提供了新的方法。
它虽然没有传统的模拟数字电路调速来得反应快,但是由单片机搭建的电机调速电路要比使用模拟数字电路简单得多。
不仅节约了成本而且单片机灵活性高,可以重复编程。
当实际的环境条件改变以后,可以通过改变程序来实现不同的功能。
所以本文所采用的是基于单片机来设计PWM直流电机的控制系统。
3硬件设计
本系统硬件主要由直流电机、电机驱动芯片、速度检测模块、显示模块、按键、主控制模块。
3.1直流电机
直流电机采用的型号为310CA，工作电压3V～12V，在5V电压下空载转速约4000转/分，空载电流约20mA，堵转电流约300mA（如图3-1所示310CA直流电机图）。
图3-1310CA直流电机
3.2电机驱动芯片
本系统采用SPGT62C19B作为电机驱动芯片。
SPGT62C19B是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片，可驱动一台两相步进电机，或者两台直流电机。
它带有双路H桥，可分别驱动两个独立的PNP功率管。
每一个H桥都有各自独立的使用引脚，因此非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。
SPGT62C19B输出电压可以达40v，输出电流可达750mA,由输入的逻辑电平来决定输出脉冲的宽度及频率，所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体，省去了很多外围器件[7]。
SPGT62C19B的内部由两组完全相同的控制电路组成了两路输出通道。
其中一路通道的控制电路原理如图3-2所示。
输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分进行处理并驱动晶体管，最后由OUT端口输出驱动信号以控制电机的运行[8]。
图3-2SPGT62C19B控制电路原理图
SPGT62C19B的6个控制脚有如表3-1：
引脚
名称
用途
20
I01
通道1的电流大小控制
17
I11
通道1的电流大小控制
16
PHASE1
通道1的电流方向控制
8
I02
通道2的电流大小控制
9
I12
通道2的电流大小控制
10
PHASE2
通道2的电流方向控制
表3-1SPGT62C19B的6个控制脚
以通道1为例，控制口I01与I11的不同逻辑组合可使通道1输出端产生不同大小的电流输出：
I01逻辑值
I11逻辑值
输出电流
0
0
Imax
1
0
2/3*Imax
0
1
1/3*Imax
1
1
0
表3-2通道1的电流输出
如上表3-2中，Imax是输出电流的上限值，它与图3-1中Vref和Rs的值有关。
其关系式为：
Imax=Vref/10*Rs；
PHASE1的逻辑电平值决定了该通道的电流输出方向。
PHASE1与电流方向的对应关系如表3-3所示:
PHASE1逻辑值
输出电流方向
0
OUT1B->OUT1A
1
OUT1A->OUT1B
表3-3PHASE1与电流方向的对应关系
直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越快。
对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可以采用PWM调节方法。
PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现电机转速的调节[9]。
本设计选用的电机驱动芯片SPGT62C19B有两个输出通道可以分别控制一台直流电机。
这里选择通道1。
设定PHASE1的逻辑电平，即可实现电机的正反转控制。
而电机调速可以通过不断改变I01和I11的高低电平状态，使输出通道产生PWM波形信号，从而利用PWM的占空比来调节电机转速。
图3-3输出PWM控制直流电机时序
如图3-4电机驱动芯片SPGT62C19B通道1和单片机的接口
图3-4电机驱动芯片SPGT62C19B通道1和单片机的接口
3.3速度检测模块
在直流电机转轴上加载一个光栅转盘，用来测量电机的转速及观察电机的转动情况。
光栅转盘遮挡在红外发射管和红外接收管之间。
如图3-5所示，光栅转盘的园面上开了4个通光槽，电机每转动一周，红外接收管将接收到4次红外光，从而可以实现电机测速功能[10]。
图3-5直流电机的光栅转盘
转速测量采用一组鼠标上用的红外对管实现。
其电路原理如图3-6所示。
当红外发射管与红外接收管之间被直流电机光栅转盘的不透明部分遮挡时，红外接收管处于截至状态，此时图中的SPEED输出高电平。
反之当光栅转盘的通光槽转至红外对管之间时，红外接收管处于导通状态，此时SPEED输出低电平。
将SPEED连接到单片机的I/O口，即可通过定时器计数的方法计算出电机转动速度。
图3-6转速测量电路原理
3.4显示模块
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