基于单片机控制直流电机调速控制系统设计设计说明书.docx

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基于单片机控制直流电机调速控制系统设计设计说明书

基于单片机控制直流电机调速控制系统设计

摘要

直流电机是人类最早发明和应用的一种电机。

虽然与交流电机相比，直流电机结构复杂、维护困难、价格较贵，但由于它具有良好的启动制动和调速特性，并且启动转矩大，能在较宽的范围内平滑、经济地调速，转速易于控制，调速效率高，因此直流电机在现今的工业领域中仍占有重要的地位。

最常用的直流调速技术是脉冲宽度调制（PWM）技术，它有响应速度快、调速精度高、调速范围宽和损耗低的特点。

近年来由于数字电子技术的快速发展，出现了一种重要的直流调速手段—计算机数字控制直流调速，它是以微处理器为核心的数字控制系统，硬件电路标准化程度高，制作成本低，不受器件温度漂移的影响，控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。

设计主要介绍了以单片机AT89S51为核心控制器件的直流电机调速系统，基于单片机控制的PWM直流电机调速的方法和PWM的基本工作原理以及实现方法。

主电路中采用四个小键盘（实现控制直流电机启动、停止、方向和速度）控制AT89S51单片机，然后通过电机驱动芯片L298对小型直流电机进行控制。

设计中还附加了转速检测显示电路，由霍尔开关CS3020、单片机AT89S51、七段数码管译码芯片74LS47和四位LED构成。

整个系统的设计，采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的可靠性和稳定性。

最后在软件方面，介绍了主程序、键盘扫描子程序、PWM信号发生程序、测速子程序和显示子程序。

关键词单片机AT89S51,直流电机,脉宽调制

TheDesignofDCMotorSpeedControlSystemBasedOnSingleChip

Abstract

Dcmotorisoneoftheearliesthumaninventionandapplicationofthemotor.AlthoughcomparedwithACmotor,DCmotorstructurecomplex,difficultmaintenance,moreexpensive,butbecauseithasagoodstart,brakingandspeedadjustmentcharacteristicsandbigstarttorque,canbeinawiderangeofsmoothspeedregulation,economic,easyspeedcontrol,speedcontrolwithhighefficiency,sothedcmotorintheindustrialfieldisstilloccupiesanimportantposition.TechnologyisthemostcommonlyusedDCspeedcontrolpulsewidthmodulation（PWM）technology,ithasfastresponsespeed,highprecisionofspeedandspeedrangeandlowlosscharacteristics.Inrecentyearsduetotherapiddevelopmentofdigitalelectronictechnology,thereisaimportantmeansofdcspeedcontrol,computernumericalcontroldcspeedcontrol,itisamicroprocessorasthecoreofthedigitalcontrolsystem,hardwarecircuitstandardizationdegreeishigh,theproductioncostislow,isnotaffectedbytemperaturedriftofthedevice,thecontrolsoftwareabilityoflogicjudgmentandcomplexoperation,canrealizeoptimizationisdifferentfromgenerallinearadjustment,adaptive,nonlinear,suchasintelligentcontrollaw.DesignmainlyintroducesthesinglechipAT89S51asthecorecontroldeviceofDCmotorspeedcontrolsystem,DCmotorspeedcontrolsystem,thesignificanceofPWMbasedonsinglechipmicrocomputercontrolDCmotorspeedcontrolmethodandthebasicworkingprincipleandrealizationmethodofPWM.Maincircuitadoptsfoursmallkeyboard（tocontrolDCmotorstart,stop,directionandspeed）controlAT89S51,thenthroughthemotordriverchipL298tocontrolsmallDCmotors.Inthedesignoftheaddedspeeddetectiondisplaycircuit,byCS3020hallswitch,singlechipmicrocomputerAT89S51,sevensegmentdigitaltubedecodingchip74LS47andfourLED.Thewholesystemdesign,theuseofalargenumberofintegratedcircuitmodule,greatlysimplifythehardwarecircuitandimprovesthesystemreliabilityandstability.Finallyintheaspectofsoftware,thispaperintroducesthemainprogram,keyboardscanningsubroutine,PWMsignal,speedsubroutineanddisplaysubroutineprogram.

KeywordsSCMAT89S51,DCmotor,PWM

1绪论

1.1课题研究的背景

直流电机是最常见的一种电机，由于它具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用，例如交通、机械、化工、航空等领域中。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，其控制系统的硬件部分复杂不灵活、功能单一、调试困难、触发精度易受外界影响以及触发脉冲不对称度较大等等，这些都阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，单片机成为了直流电机调速不可或缺的一部分。

单片机具有小巧灵活、成本低、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、控制功能强等优点。

与为了实现控制逻辑需要许多电子元件的模拟电路相比，使用单片机作为电动机的控制器，使得电路更加简单。

单片机有很强的逻辑功能，运算速度和精度高，有大容量的存储单元，使用单片机微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现较复杂的控制。

由于单片机的控制方式是由软件完成的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可。

在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便且无零点漂移。

所以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。

利用单片机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整而且可以同时对系统工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加强了实时维护和提高了控制系统的可靠性[1]。

在实际应用中，电机是把电能转化为机械能的主要设备，因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。

由于电机调速性能决定着产品的质量和劳动生产率的提高。

所以，电机调速一直是近些年来研究的热点。

1.2选题的目的和意义

近年来各种类型的电机层出不穷，然而在自动控制系统、电子仪器设备等方面，直流电机的应用还是占有突出地位。

直流电机具有良好的启动性能和调速特性，其调速平滑，调速范围广，过载能力强，抗冲击负载能力强，可实现频繁的无极快速起动、制动、加/减速和正/反转。

为了满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而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、改变电枢电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

PWM即脉宽调制技术，它是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压目的，或控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。

PWM直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点，在工厂企业得到广泛的应用，有利于国家工业化的发展[2]。

近年来，电气传动的PWM控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。

通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我今后的工作有十分重要的意义。

1.3研究方法

文中主要介绍了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

设计中选用了AT89S51单片机，基本实现了用软件产生PWM信号，并且通过单片机将信号传输给电机驱动芯片，以实现对小型直流电机的启停、方向、加速和减速的控制。

设计中还采用了霍尔传感器CS3020来实现测速。

与以往的模拟测速相比较，这种方法不仅精度高，而且安全稳定，维护方便。

1.3国内外电机控制的研究现状及发展

常用的控制直流电机调速有以下几种方法：

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、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。

第二，30年代末，出现了发电机—电动机（也称为旋转变流组），配合采用电磁放大器、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、较小的转速变化率和调速平滑等优点，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，因而体积大，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，是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，特别是水银蒸气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，与其他变流元件相比，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[3]。

由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简单等一系列优点，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。

晶闸管变流器装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往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一次大的跃进。

同时，控制电路也实现了高度集成化、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。

随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。

微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。

近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等[4]。

随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。

例如，军事和航宇方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。

数字直流调速装置，从技术上它能成功地做到从给定信号、调节参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简单、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调试精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。

国外主要电气公司如瑞典ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。

我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。

目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛应用。

我国关于数字直流调速系统的研究主要有：

综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化。

随着PWM技术的发展，我国直流电机调速也正向着脉宽调制方向发展。

目前我国大部分数字化控制直流调速装置还是依靠进口。

但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间，所以国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。

1.4PWM变频调速发展前景

PWM变频调速作为一项新的调速技术，在西方发达国家已得到广泛应用。

目前，不论在同步电机调速方面，还是异步电机调速方面，PWM变频调速是众多交流调速方式的佼佼者。

本节主要通过PWM变频调速技术与其他传统调速技术的优缺点对比，进而介绍变频调速技术的特性。

1.4.1异步电动机的调速方法

（1）变极调速

变极调速是通过外部的开关切换改变电机绕组的串并联关系实现的。

即改变异步电机的极对数p来达到调速的目的，要改变p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。

通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。

变极调速只能实现有级调节（一般有两个速度），如电机由两极切换到四极，速度就会由大约3000转/分降到大约1500转/分。

变极调速一般是以两个速度为主，辅以阀门和挡板调节，比单纯使用阀门和挡板要好一些，但是仍然有节能潜力可挖。

另外，由于结构复杂，变极电机的效率比常规的通用电机要稍低一些。

变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，因而只适用于不需平滑调速的场合。

（2）变转差调速

异步电动机的转速公式为

（1-1）

由式（1-1）可以看出，调节转差率s，可改变电动机转速n。

根据电机学原理，异步电动机的电磁功率

可分为两部分：

一部分构成机械功率

，另一部分则为转差功率

。

其中

，

。

变频、变极都是改变同步转速以达到调速的目的，无论转速高低，转差功率仅由转子绕组铜损耗构成，基本不变，所以从能量转换角度来看，又称转速功率不变型，其效率最高。

变转差率则是转差功率与转差率成正比改变，根据转差功率是否全部消耗掉，分为转差功率消耗型和转差功率回馈型两类。

转差功率消耗型有绕线转子串电阻调速，定子电压调速和电磁转差离合器调速。

因为全部转差功率都转换为热能消耗掉了，故效率最低。

转差回馈型就是将转速功率大部分回馈给电网，所以效率介于消耗型和不变型之间。

（3）交-交变频调速

交-交变频调速就是在该系统中每一相的正弦波都使用三相的电压波形，通过两组晶闸管变流电路，调制出近似正弦波的输出。

从原理上分析，该电路的变频功能只能由基频向下变，即频率只能变低。

因为中间环节少，所以它的效率高。

1.4.2同步电动机的调速方法

同步电机的调频只有两种方式：

调节定子和转子的极对数比例、变频。

调极提速的平滑性不好而交-交变频调速的调速范围有限。

1.4.3PWM变频调速

对于PWM变频调速，以上缺点均被一一克服。

与交-交变频电路的变频过程比较，似乎只多了一个直流的转换过程。

而正是这个直流转换过程使PWM变频电路更具灵活性。

现代的变频器采用了通信技术领域中的脉宽调制技术，具体一点就是应用了采样控制理论中的一个重要理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。

变频器就是应用这一理论，用一系列不等宽的脉冲代替一个正弦波，只要缩短这一系列脉冲的总宽度，就可达到调频的效果，而改变这一系列中各脉冲的宽度则可达到调压的目的（有效值等效，但峰值不等效），因此这一技术使恒磁通调速成为可能。

在设计电机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，因此，调速时希望保持每极磁通

为额定值，即

。

因为磁通增加，将引起铁芯过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因素降低；而磁通减少，将使电动机输出转矩下降，如果负载转矩仍维持不变，势必导致定子、转子过电流，也要产生过热，故希望保持磁通恒定。

由上所知恒磁通调速，其实是要达到恒力矩输出的效果。

而异步电动机定子每相感应电动势为

（1-2）

式中：

——定子绕组每相串联匝数；

——基波绕组系数；

——每极气隙磁通。

由式（1-2）可以知道，

的值是由

和

共同决定的。

对

和

进行适当的控制，就可以使气隙磁通

保持额定值不变。

总的来说PWM变频调速技术频调速灵活。

调速的范围宽，在一定范围内可实现恒力矩输出，是一种相当适合电梯使用的调速方式，而且其本身的技术也在不断的革新中。

随着PWM技术的不断改进，它的应用的范围也将不断的扩展[5]。

1.5课题研究内容及目标

根据直流电机调速的控制要求确定整体的设计方案，完成单片机控制的PWM直流电机调速系统设计。

该系统需能实现用软件产生PWM信号，并且通过单片机对L298的信号传输达到对电机的启动和停止，加速和减速，正传和反转的控制；直流电机的转速在LED显示器上正确实时显示。

该系统主要由输入设备、单片机、显示器、电机驱动模块和测速元件等部分组成。

主要内容具体描述如下：

（1）输入设备的选择：

与矩阵键盘相比独立键盘结构简单，所以本设计采用独立键盘给单片机输入信号；

（2）单片机的选型：

MCS-51系列单片机有多种型号，其中AT89S51不仅兼容8051，还具有ISP编程和看门狗功能，这里选用单片机AT89S51作为控制核心；

（3）显示部分的设计：

LED是单片机应用系统中最常用的输出器件，用LED实现对PWM脉宽调制占空比的实时显示；

（4）电机驱动模块的设计：

利用H桥式驱动电路可实现电机的正转，反转，制动的功能，作为集成有桥式电路的电机专用芯片L298在应用领域被广泛使用，而且其性能比较稳定可靠，所以用L298作为电机的驱动芯片。

（5）测速元件的选用：

测速元件有很多，本设计选用霍尔元件测速，在电机中安装霍尔开关传感器，把速度传送给单片机。

1.6小结

首先主要分析了直流电机调速系统研究的背景和研究的目的及意义；并且介绍了直流电机控制的国内外研究现状及发展情况；PWM变频调速的发展前景；研究方法；以及课题主要研究内容及预期目标做了简要说明。

2直流电机调速系统设计

2.1系统总体方案设计

2.1.1设计思路

单片机直流电机调速简介：

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AT89S51单片机为核心，通过单片机控制，以及软件实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析：

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。

文中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。

单片机控制的PWM直流电机调速系统的主要功能包括：

实现对直流电机的加速、减速和正转、反转以及启动、停止的控制，能够很方便地实现电机智能控制。

系统的主体电路是直流电机PWM控制模块。

这部分电路主要由AT89S51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等来控制直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便地实现直流电机的智能控制。

该系统是通过AT89S51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机的工作。

该单片机控制的PWM直流电机调速系统主要是由以下几个电路模块组成：

输入模块：

这一部分主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和启动、停止控制。

控制模块：

主要由AT89S51单片机的外部扩展电路组成。

直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、电机和L298驱动芯片组成。

测速显示模块