基于单片机的直流电动机调速系统设计.docx

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基于单片机的直流电动机调速系统设计

摘要……………………………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………………………1

1引言…………………………………………………………………………………2

2系统设计要求及设计思路…………………………………………………………3

2.1设计要求…………………………………………………………………………3

2.2设计思路…………………………………………………………………………3

2.3PWM的基本原理及实现…………………………………………………………3

2.3.1PWM的基本原理………………………………………………………………3

2.3.2PWM原理的实现………………………………………………………………4

2.4系统方框图…………………………………………………………………………5

3硬件电路设计…………………………………………………………………………6

3.1测速发电机…………………………………………………………………………6

3.2A/D数模转换电路…………………………………………………………………8

3.2.1简介……………………………………………………………………………8

3.2.2引脚图……………………………………………………………………………8

3.2.3主要特性………………………………………………………………………9

3.2.4分辨率…………………………………………………………………………9

3.2.5工作时序………………………………………………………………………9

3.2.6A/D转换器的其他技术指标…………………………………………………10

3.3直流电动机驱动电路设计………………………………………………………11

3.4主电路控制芯片…………………………………………………………………12

3.5起振电路设计……………………………………………………………………13

3.6外部输入电路设计………………………………………………………………14

3.7液晶显示电路……………………………………………………………………14

3.8电源电路…………………………………………………………………………17

4软件设计……………………………………………………………………………17

4.1主程序设计………………………………………………………………………17

4.2PWM子程序设计………………………………………………………………19

4.3A/D数模转换子程序设计………………………………………………………19

4.4数码管显示子程序设计……………………………………………………20

5结束语………………………………………………………………………………21

参考文献………………………………………………………………………………22

致谢……………………………………………………………………………………22

附录………………………………………………………………………………24

附录一：

元器件明细表………………………………………………………………24

附录二：

源程序………………………………………………………………………24

基于单片机的直流电机调速系统设计

摘要：

本论文主要研究了利用51系列单片机在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。

直流电动机调速系统是通过控制PWM信号来实现对直流电动机转速的控制。

本系统划分为A/D数模转换电路、主控电路、直流电机驱动电路、液晶显示功能电路、按键电路和电源电路等模块，分别对各个单元进行设计，之后在组成整个系统从而实现对直流电机转速的控制。

本文是以硬件模块为基础，以C语言进行软件编程，单片机根据程序对PWM信号占空比进行调节，从而控制直流电机电路的输入电压，达到对直流电机的调速、变向等功能。

本文所提供的设计方法简单易懂，具有非常实用和值得研究的意义。

关键词：

单片机；直流电机；PWM原理；

TheDesignofDirectCurrentMotorspeedRegulation SystemBasedOnSCM

Abstract:

Inthisthesis,theuseof51seriesDCmotorspeedcontrolsystem,methodandhardwarestructure.DCmotorspeedcontrolsystemisachievedbycontrollingthePWMsignaltotheDCmotorspeedcontrol.ThepresentsystemisdividedintotheA/Ddigital-to-analogconversioncircuit,controlcircuit,theDCmotordrivecircuit,theliquidcrystaldisplayofthefunctionalcircuit,thekeycircuitandpowersupplycircuitmodule,respectively,oftherespectiveunitsdesigned,afterthecompositionoftheentiresysteminordertoachievetheDCmotorspeedcontrol.Thisarticleisbasedonahardwaremodule,basedontheClanguagesoftwareprogramming,microcontrolleraccordingtotheprogramtoadjustthedutycycleofthePWMsignaltocontroltheDCinputvoltageoftheelectricalcircuit,DCmotorspeedcontrol,changetofunction.Thedesignmethodissimpleandeasytounderstand,hasaverypracticalandworthyofstudy.

Keywords:

Microcontroller;Dcmotor;PWMprinciple;

1引言

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管（即可控硅）装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又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。

直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

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。

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。

本文主要研究了利用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。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过H桥电路驱动电机。

利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

2系统设计要求及设计思路

2.1设计要求

运用单片机原理，设计一个基于单片机的直流电动机调速系统，要求该系统具有调压调速、转速测量、显示功能。

2.2设计思路

整个系统可以划分为A/D数模转换电路（ADC0809）、主控电路（单片机AT89C51）、直流电机驱动电路（L298驱动电路）、液晶显示功能电路（HDSP-B03E）、按键电路和电源电路等模块采用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H桥驱动电路的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，通过扩展我们还可以通过液晶显示出键盘功能说明，这种设计方法不但电路简单，而且性能稳定。

2.3PWM的基本原理及实现

2.3.1PWM的基本原理

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”。

如图1所示：

设电机始终接通电源时，电机转速最大为

，设占空比为

，则电机的平均速度为

，其中

指的是电机的平均速度；

是指电机在全通电时的最大速度；

是指占空比。

由上面的公式可见，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。

严格来说，平均速度

与占空比

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。

图1PWM电压与电机速度分析图

Fig.1PWMvoltageandmotorspeedanalysischart

2.3.2PWM原理的实现

产生PWM信号有2种方法：

一种是软件方法，另一种是硬件方法。

硬件方法的实现可采用各大公司生产的专用芯片。

为了节约成本，本文采用单片机控制PWM的信号的软件方法。

51系列单片机具有两个定时器T0、T1，其中，定时器T1还可以当成2个8位定时器使用。

控制定时器初值TL0和TH0，可以实现从ATC89C51的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。

由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点。

即使是同一天单片机由于选用的晶振、定时器工作方式不同，定时器的定时初值与定时时间的关系也不同，因此，必须先明确定时器的定时初值与定时时间的关系。

如果单片机的时钟频率为f，定时器/计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为：

（1）

式中，Tw为定时器定时初值；N为一个机器周期的时钟数，随机型的不同而不同，在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。

可通过设定不同的定时初值Tw改变占空比D，进而控制电机转速。

PWM的实现是根据式

（1）来进行的，控制程序的设计有两种方法：

软件演示法和计数法。

软件演示法的基本思想是：

先求出占空比D，再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t0，然后再断点M个单位时间，改变M和M的值，就可改变占空比D。

计数法的基本思想是：

求出单位延时个数M后，将其作为给定值存放在某存储但原则。

在通电过程中，对通电单位时间t0的次数进行技术，并与存储器的给定值进行比较，若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，再使电机断电。

2.4系统方框图

图2系统方框图

Fig.2Systemblockdiagram

由图2可见，整个系统可以划分为A/D数模转换电路（ADC0809）、主控电路（单片机AT89C51）、直流电机驱动电路（L298驱动电路）、液晶显示功能电路（HDSP-B03E）、按键电路和电源电路等模块。

其中AT89C51是整个系统的大脑，它对系统起着主要的控制作用，所有的数据命令都是通过它来处理，它带有外接震荡电路，键盘操作电路等；四位共阳数码管是用来显示实际速度，数据也是来源于单片机；L298驱动电路是将单片机的数字信号转换模拟信号后驱动电动机用的，它也是系统的主要部分，它接收接收单片机的数据，进一步控制直流电机，从而达到电机调速、变向的目的。

3系统硬件电路设计

目前，对直流电动机的速度检测方法很多，从整体上可分为模拟检测和数字检测方法。

模拟检测：

即利用测速电机作为发电机，通过检测反电势E的大小和极性可得到转速N和电机转向，采用这种方法直接可以得到转速N和输出电压的特性曲线，直观，但也有很多不足，比如在高速和低速情况下实际输出偏离理想特性。

数字检测技术：

即通过分析数字信号产生的一系列脉冲间接获取电机转速。

如光电旋转编码器是将检测圆盘划分为等距的三个同心圆，最外环和次外环分别用等距的黑白条纹分开，且最外环和次外环的缝隙位置相位差为90度，用于判断电机的转速，最内环只有一个黑条纹，用作定位脉冲或者是复位脉冲，利用光电编码器输出的脉冲可以计算转速，具体的又可分为M法，T法和M\T法。

此外，市场上已经有了技术成熟的电机测速装置，如利用霍尔元件设计制作的直流电机测速仪等，凭借其精度高，稳定性好等优势占有重要的一席之地。

而本次微机控制原理课程设计的任务是直流电机速度的测量与显示。

主要要求是通过测速直流发电机作为传感器，检测直流电机的转速，并输出与转速相关的电压，通过ADC0809芯片将测速发电机输出电压转换成电压的数字信号。

控制芯片采用AT89C51将采集转换后的数字信号进行处理，得到转速，并通过四位数码管予以显示。

整体上能够完成从转速检测到数据处理到显示的一整套功能。

3.1测速直流发电机

一．简介

直流测速发电机是一种测速元件，它把转速信号转换成直流电压信号输出。

直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。

对直流测速发电机的主要要求是：

（1）输出电压要严格地与转速成正比，并且不受温度等外界条件变化的影响；

（2）在一定的转速下，输出电压要尽可能的大；（3）不灵敏区要小。

二．分类

直流测速发电机可分为励磁式和永磁式两种。

励磁式由励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极。

由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，故应用较广。

三．输出特性

根据已经学过的直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势：

（2）

由上可知：

1.电刷两端的感应电势与电机的转速成正比；2.直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。

他励测速发电机接线图如下：

图3他励测速发电机接线图

Fig.3HeReedtachometergeneratorwiringdiagram

在上图正方向得：

（3）

（4）

负载时测速发电机的输出电压为：

（5）

本课题选用55CY61系列他励测速发电机，主要参数如下表：

表1他励测速发电机性能表

Table1HeReedtacho-generatorperformancetable

最大输出电压V

最大转速

r/min

负载电阻

Ω

重量

kg

40

2000

2000

0.95

根据负载时测速发电机的输出电压公式知，直流测速发电机的输出电压与转速成正比，即Ua=Cn。

采用55CY61时，最大转速2000r/min时最大输出电压为40V，因此C=50。

由于ADC0809要求输入模拟电压信号在0~5v之间，因此需要有滑动变阻器进行电压范围调整，调整后输入到ADC0809的电压值缩小倍数为K=8。

例如，当检测到电压为1V时发电机的转速为：

（6）

再将运算后的n值用数码管显示出来即可。

3.2A/D数模转换电路

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

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该论文已经通过答辩

3.2.4分辨率

ADC的分辨率是指使输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。

常用二进制的位数表示。

A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。

8位A/D转换器的精度为：

（7）

因此，输入为0~5v时，分辨率为：

（8）

3.2.5工作时序

图5所示是ADC0809的工作时序图。

从该时序图可以看出，地址锁存信号ALE在上升沿将三位通道地址锁存，相应通道的模拟量经过多路模拟开关送到A/D转换器。

启动信号START上升沿复位内部电路，START的下降沿启动转换，此时转换结束信号EOC呈低电平状态，由于逐位逼近需要一定过程，所以，在此期间，模拟输入量应维持不变，比较器要一次次比较，直到转换结束，此时变为高电平。

若CPU发出输出允许信号OE（输出允许为高电平），则可读出数据。

另外，ADC0809具有较高的转换速度和精度，同时受温度影响也较小。

图5ADC0809的工作时序图

Fig.5TheADC0809worktimingdiagram

3.2.6A/D转换器的其他技术指标

1.量化误差

ADC把模拟量变为数字量，用数字量近似表示模拟量，这个过程称为量化。

量化误差是ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。

实际上，要准确表示模拟量，ADC的位数需很大甚至无穷大。

一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转换特性曲线（直线）之间的最大偏差即是量化误差。

2.偏移误差

偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以有时又称为零值误差。

假定ADC没有非线性误差，则其转换特性曲线各阶梯中点的连线必定是直线，这条直线与横轴相交点所对应的输入电压值就是偏移误差。

3.满刻度误差

满刻度误差又称为增益误差。

ADC的满刻度误差是指满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。

4.线性度

线性度有时又称为非线性度，它是指转换器实际的转换特性与理想直线的最大偏差。

5.绝对精度

在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟量输入与理论模拟输入之差的最大值，称为绝对精度。

对于ADC而言，可以在每一个阶梯的水平中点进行测量，它包括了所有的误差。

6.转换速率

ADC的转换速率是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。

而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。

3.3直流电动机驱动电路设计

单片机输出的PWM信号需要经过功率放大才能控制直流电机，本系统采用L298作为驱动芯片。

驱动接口电路如图6所示：

图6直流电动机驱动电路原理图

Fig.6DCmotordrivecircuitschematics

L298是双H桥高压大电流功率集成芯片，直接采用TTL逻辑电平控制，他的驱动电压高达46V，直流电流总和高达4A，有L298构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆方式，单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，电动机电枢只承受单极性的电压。

单片机的PWM输出脚接到L298的ENA和ENB引脚上，控制着点击转速的大小。

单片机的26引脚接到L298的IN1和IN3脚；27脚接到L298的IN2和IN4脚上，控制电机的方向。

为了增强L298的驱动能力，对L298的两路驱动采用并联处理，最大驱动电路可达3A。

比较器LM339主要起到了限制过流和保护L298的作用。

LM339的同相端直接连接到了一个可调电位器上，通过调节电位器的参考电压来调节L298的限流电压，LM339的反相端接到L298的SENSEA和SENSEB两检测端。

当检测电阻两端的电压大于限流电压时，比较器的反相端的电压大于同相端的电压，输出端输出低电平，从而把L298的EnA和EnB使能端拉低，L298停止工作。

这就起到了限制过流和保护L298的作用。

3.4主电路控制芯片

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图7AT89C51

Fig.7AT89C51

AT89C51主要功能特性如下：

1、兼容MCS51指令系统；

2、4k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；

3、32个双向I/O口；

4、128×8bit内部RAM；

5、2个16位可编程定时/计数器中断；

6、5个中断源；

7、可编程串行通道；

8、低功耗的闲置和掉电模式；

9、片内振荡器和时钟电路；

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。

AT89C51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。

3.5起振电路设计

主控芯片需要震荡电路来起振时钟频率。

震荡电路的实现可采用单片机利用软件实现，也可直接采用外部时钟电路。

单片机