基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统课程设计.docx
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基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统课程设计
运动控制系统
课程设计
题目:
基于单片机的直流伺服电机PWM控制系统
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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学位论文版权使用授权书
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涉密论文按学校规定处理。
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日期：
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
摘要
单片机是应控制领域应用的要求而出现的，随着单片机的迅速发展，起应用领域越来越广。
尽管目前已经发展众多种类的单片机，但是应用较广、也是最成熟的还是最早有Intel开发的MCS-51系列单片机（51系列单片机）。
51系列单片机应用系统已经成为目前主流的单片机应用系统。
直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation—简称PWM）调速产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动，后来用于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM技术得到了高速发展，各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。
而MCS—51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM输出功能，本课设采用配合软件的方法实现了MCS—51单片机的PWM输出调速功能，这对精度要求不高的场合时非常实用的。
1、前言
1.1单片机的发展史
单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。
自单片机诞生至今以发展为上百种系列的近千个分支。
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：
（1）第一阶段（1976—1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS—48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词由此而来。
（2）第二阶段（1978—1982）：
单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS—48的基础上推出了完善的，典型的单片机系列MCS－51.它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS－51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线16位地址总线控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982－1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS－96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器的特征。
随着MCS－51系列的广泛应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路的功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990－）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.2本设计任务
任务:
单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统。
功能主要包括：
1）直流电机的正转；
2）直流电机的反转；
3）直流电机的加速；
4）直流电机的减速；
5）直流电机的转速在数码管上显示；
6）直流电机的启动；
7）直流电机的停止；
2、总体设计方案
总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
图1
键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。
电动机的运转状态通过数码管显示出来。
电动机所处速度级以速度档级数显示。
正转时最高位显示“三”，其它三位为电机转速；反转时最高位显示“F”，其它三位为电机转速。
每次电动机启动后开始显示，停止时数码管显示出“0000”。
3、硬件电路设计
3.1硬件组成
本系统由PC机、MCS-51单片机开发系统、、PWM脉宽调制控制板以及直流伺服电动机等组成。
具体相关硬件如下所示：
二极管（1N4077）4个，场效应管（2SJ50）4个，非门74LS041个，与门74LS082个，电容（CAPACITOR）2个，芯片（AT89C51）1个，开关（BUTTON）3个，直流伺服电动机（MOTOR）1个，电阻（RES）4个，电源3个，地（GROUND）4个。
如表3.1所示：
硬件型号
数量
硬件型号
数量
1N4077
4
MOTOR
1
2SJ50
4
RES
4
74LS04
1
CAPACITOR
2
74LS08
2
GROUND
4
AT89C51
1
VCC
3
BUTTON
3
表3.1元件表
3.2主要器件功能介绍
3.2.1直流伺服电机简介
伺服电机也称执行电机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的电机，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号小时，转子能即使自行停转，由于这种“伺服”性能，因此而得名。
按照在自动控制系统中的功用所要求，伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。
可控制性好是指寻好消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下降，速应性强是指反应快，灵敏。
直流伺服电动机在自动控制系统中常用作执行元件,对它的要求是要有下垂的机械特性、线性的调节特性和对控制信号能作出快速反应。
该系统采用的是电磁式直流伺服电动机,其型号为45SY01型,其转速n的计算公式如下:
n=E/KΦ=（Ua-IaRa）/KΦ
式中n为转速;Φ为磁通;E为电枢反电势;Ua为外加电压;IaRa为电枢电流和电阻。
直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较：
直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。
只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机投入工作。
这两个绕组其中的一个断电时，电动机立即停转，它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。
所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。
3.2.2PWM简介及调速原理
（1）简介：
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等待地获得所需要波形。
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持在数字形式可将噪声影响降到最小。
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。
（2）调速原理：
占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。
其变化范围为0—1。
如图2.1，在电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值U取决于占空比的大小。
改变其值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。
在PWM调速时，占空比是一个重要的参数。
以下是3种方式都可以改变占空比的值：
图2.1占空比示意图
计算公式：
占空比=ton/T
a）定宽调频法
b）调宽调频法
c）定频调宽法
目前，在直流伺服电机的控制中，主要使用定频调宽法。
（3）与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲动很小的直流电流，电枢容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。
同样由于开关频率高，若与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。
由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率比较高。
3.2.3传感器选择
霍尔器件是一种磁传感器。
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。
霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHz）,耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。
此外，其工作温度范围宽。
其中最常用的有以下几种：
（1）霍尔元件式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。
它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。
当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。
用霍尔元件作转子
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