直流电机调速系统综述.docx
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直流电机调速系统综述
吉林化工学院信控学院专业综合设计说明书
直流电机调速系统
学生学号：
********
学生姓名：
@@@
专业班级：
##1234
*******
职称：
教授
起止日期：
2013.8.26～2013.9.13
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
专业综合设计任务书
一、设计题目：
直流电机调速系统设计
二、设计目的:
1．理解直流电机控制系统基本原理；
2．掌握硬件电路的各器件功能及应用；
3．绘制电子线路图和仿真图；
4.应用C语言编程方法实现。
三、设计任务及要求
1．设计直流电机控制系统硬件电路；
2．电子线路图及仿真电路图
4．硬件联接；
5．撰写设计说明书。
四、设计时间及进度安排
设计时间共三周,具体安排如下表：
周次
设计内容
设计时间
第一周
依据直流电机调速原理和单片机知识，查找相关资料。
设计控制系统的电路图和接线图。
2013.8.26-2013.8.30
第二周
完成硬件焊接及软件编程。
2013.9.2-
2013.9.6
第三周
完成系统调试，编写设计说明书。
提交作品及设计说明书，评定专业综合设计成绩。
2013.9.9-2013.9.13
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
2013年9月13日
成绩
指导教师（签字）:
摘要
本作品是直流电机调速系统。
经理论分析及实验调整设计出了以AT89C52单片机为核心的控制电路、以L298N芯片做电机驱动电路，并用LED七段数码管做辅助显示直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。
主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图、Keic51程序。
硬件电路实现了对电机的正转、反转、加速、减速控制以及用按键控制调节占空比来控制转速并在四位LED上的实时显示转速。
关键字：
单片机，调速，直流电动机，PWM控制
第一章绪论
1.概述
1.1直流电机的特点及应用和控制前景
电机是把电能转换成机械能的装置。
电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。
常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。
直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。
历来是自动控制系统的主要执行元件，在轧钢及其辅助机械、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床、造纸机、纺织机械等领域中得到了广泛的应用。
换向器是直流电机的主要薄弱环节,它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压、最高转速等重要指标都受到限制,也给直流电机的制造和维护添了不少麻烦。
然而，鉴于直流拖动控制系统的理论和实践都比较成熟，直流电机仍在广泛的使用。
因此，长期以来，在应用和完善直流拖动控制系统的同时，人们一直不断在研制性能与价格都赶得上直流系统的交流拖动控制系统，近年来，在微机控制和电力电子变频装置高度发展之后，这个愿望终于有了实现的可能。
电动机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、自动控制技术；特别是微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。
这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等任务。
近几年来，这种嵌入式系统在肩同、通信、工业、仪器、等领域的广泛应用，现代控制技术已深入各行业的诸多领域。
进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。
世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。
开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。
正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年内发生了很大的变化。
其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、FPGA/CPLD、通用计算机、PWM控制技术等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。
应用先进控制算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一代控制系统设计方向。
1.2直流调速的发展
直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，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，不能得到较宽和平滑的调速性能,所以目前极少采用。
该法
只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。
20世纪30年代末期，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，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。
但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。
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。
1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，品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。
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己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。
近年来，随着得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控制技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。
特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。
电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统，出现了微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。
这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等任务。
这种嵌入式系统在肩同、通信、工业、仪器、等领域的广泛应用。
正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年内发生了很大的变化。
其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、通用计算机、PWM控制技术等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。
应用先进控制算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一代控制系统设计方向使得直流电机调速系统的研究得到了更深的发展。
第二章直流电机的控制方案设计
2.1调速方案的选择
方案一：
直接加直流电源来控制电机的转动速度；根据电动机在其额定电压时，电动机有一定的额定转速。
根据其输入电压的减小，其转动速度也相应的减小。
从而在传统的改变电动机的转速问题中，就是利用所给电动机的电压的不同，而达到人们所需要的大约速度。
方案二：
以单片机AT89C51为中心通过D/A转换器,将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电动机的转速问题。
其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需要速度的值，同时输到数码显示部分和D/A转换部分以实现电动机的调速。
如图2-1-1所示：
图2-1-1电路组成框图
方案三：
采用AT89C52单片机进行控制。
通过加正反信号调节键盘，键盘向单片机AT89C52输入相应控制指令，由单片机其中一端口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过霍尔传感器控制电机实现电动机转向与转速的控，电动机的运转状态通过数码管显示出来。
如图2-1-2所示：
图2-1-2电路组成框图
方案分析：
方案一只能以减小所给电压值而能使电动机的转速有相应的减小，此方案操作性差且不安全。
方案二不能及时的从电动机那里得到相应的转动速度，而是直接从程序哪儿调用相应的数值给数码显示。
所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。
方案三简单实用，既可以给电机加速也可以减速，而测得的数值比较准确真实，综上选择方案三。
2.2总体结构设计
若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高。
若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。
得到过电流的自动保护。
显然静特性优于单闭环系统。
在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。
图2-2-1主框图
综上所述，本系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。
其硬件主结构如图2-1所示：
图2-2结构框图
第三章硬件设计
3.1AT89C52单片机简介
3.1.1AT89C52功能介绍
AT89C52提供以下标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I／O口线，3个16位定时／计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.1.2AT89C52控制功能端口
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／O口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“l”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
与AT89C5l不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时／计数器2的外部计数输入（P1.0／T2）和输入P1.1／T2EX
Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。
P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE／PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的l／6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA／VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.1.3AT89C52定时器2
定时器2是一个16位定时／计数器。
它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON（如表3）的C／T2位选择。
定时器2有三种工作方式：
捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON的控制位来选择，参见表3-1-3：
表3-1-3定对器2工作方式
定时器2由两个8位寄存器TH2和TL2组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2寄存器的值加1，由于一个机器周期由12个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的l／12。
在计数工作方式时，当T2引脚上外部输入信号产生由l至0的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的5SP2期间，对外部输入进行采样。
若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1期间寄存器加1。
由于识别1至0的跳变需要2个机器周期（24个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的1／24。
为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。
捕获方式：
在捕获方式下，通过T2CON控制位EXEN2来选择两种方式。
如果EXEN2=0，定时器2是一个16位定时器或计数器计数溢出时，对T2CON的溢出标志1F2置位，同时激活中断。
如果EXEN2=1，定时器2完成相同的操作，而当T2EX引脚外部输入信号发生1至0负跳变时，也出现TH2和TL2中的值分别被捕获到RCAP2H和RCAP2L中。
另外，T2EX引脚信号的跳变使得T2CON中的EXF2置位，与TF2相仿，EXF2也会激活中断。
自动重装载（向上或向下计数器）方式：
当定时器2工作于16位自动重装载方式时，能对其编程为向上或向下计数方式，这个功能可通过特殊功能寄存器2CON（见表5）的DCEN位（允许向下计数）来选择的。
复位时，DCEN位置“0”，定时器2默认设置为向上计数。
当DCEN置位时，定时器2既可向上计数也可向下计数，这取决于T2EX引脚的值，参见图5，当DCEN=0时，定时器2自动设置为向上计数，在这种方式下，T2CON中的EXEN2控制位有两种选择，若EXEN2=0，定时器2为向上计数至0FFFFH溢出，置位TF2激活中断，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载，RCAP2H和RCAP2L。
的值可由软件预置。
若EXEN2=l，定时器2的16位重装载由溢出或外部输入端T2EX从1至0的下降沿触发。
这个脉冲使EXF2置位，如果中断允许，同样产生中断。
当DCEN=l时，允许定时器2向上或向下计数，如图6所示。
这种方式下，T2EX引脚控制计数器方向。
T2EX引脚为逻辑“l”时，定时器向上计数，当计数0FFFFH向上溢出时，置位TF2，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载到TH2和TL2中。
T2EX引脚为逻辑“0”时，定时器2向下计数，当TH2和TL2中的数值等于RCAP2H和RCAP2L中的值时，计数溢出，置位TF2，同时将0FFFFH数值重新装入定时寄存器中。
当定时／计数器2向上溢出或向下溢出时，置位EXF2位。
波特率发生器：
当T2CON（表3）中的TCLK和RCLK置位时，定时／计数器2作为波特率发生器使用。
如果定时／计数器2作为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器l用于其它功能，如图7所示。
若RCLK和TCLK置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。
定时／计数器2自动重装载方式（DCEN=1）向下计数：
波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2翻转使定时器2的寄存器用RCAP2H和RCAP2L中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。
在方式1和方式3中，波特率由定时器2的溢出速率根据下式确定：
方式1和3的波特率＝定时器器的溢出/16
定时器既能工作于定时方式也能工作于计数方式，在大多数的应用中，是工作在定时方式（C／T2=0）。
定时器2作为波特率发生器时，与作为定时器的操作是不同的，通常作为定时器时，在每个机器周期（1／12振荡频率）寄存器的值加l，而作为波特率发生器使用时，在每个状态时间（1／2振荡频率）寄存器的值加1。
可编程时钟输出：
定时器2可通过编程从P1.0输出一个占空比为50％的时钟信号，如图8所示。
P1.0引脚除了是一个标准的I／O口外，还可以通过编程使其作为定时／计数器2的外部时钟输入和输出占空比50％的时钟脉冲。
当时钟振荡频率为16MHz时，输出时钟频率范围为61Hz－4MHz当设置定时／计数器2为时钟发生器时，C／T2（T2CON.1）=0，T20E（T2MOD.1）=1，必须由TR2（T2CON.2）启动或停止定时器。
时钟输出频率取决于振荡频率和定时器2捕获寄存器（RCAP2H，RCAP2L）的重新装载值，公式如下：
输出时钟频率＝震荡频率/[4*65536-（RCAP2H,RCAP2L）]
在时钟输出方式下，定时器2的翻转不会产生中断，这个特性与作为波特率发生器使用时相仿。
定时器2作为波特率发生器使用时，还可作为时钟发生器使用，但需要注意的是波特率和时钟输出频率不能分开确定，这是因为它们同使用RCAP2H和RCAP2L。
3.1.4AT89C52控制引脚
图3-1-4AT89S52引脚图DIP封装
3.274LS245芯片的介绍
74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输；（接收）
DIR=“1”，信号由A向B传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。
由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。
8051的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD和PSEN有效时，74LS245输入（P0.1←D1），其它时间处于输出（P0.1→D1）。
引脚图如图图3-2所示：
图3-274LS245引脚图
3.3L298芯片的介绍
L298概述
L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。
L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。
L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。
L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。
L298特性
L298工作电压高达46V
总DC电流达4A
低饱和电压
L298具有过温保护功能
逻辑“0”输入电压高达1.5V（高抗噪性）
3.4ULN2003APG
比如1脚输入，16脚输出，你的负载接在VCC与16脚之间，不用9脚。
型号：
ULN2003APG
品牌：
东芝
封装：
DIP
编辑本段作用：
ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。
可直接驱动继电器等负载。
编辑本段特性描述：
属于高耐压、大电流达林顿管IC，ULN2003APG与ULN2003是同一个系类产品。
高耐压、大电流达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管组成该电路的特点如下：
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。
它是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，适用于TTLCOMS，由达林顿管组成驱动电路。
ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。
用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。
采用集电极开路输出，输出电流大。
故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。
通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。
3.5直流电机驱动电路
直流电机通过L298芯片驱动电机正转和反转，单片机通过发出的PWM波控制ENA引脚来调节电机的转速，电机驱动电路如图3-5所示：
图3-5直流电机驱动
3.6LED数码管显示电路
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位
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