毕业设计直流电动机转速硬件控制系统研究.docx
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毕业设计直流电动机转速硬件控制系统研究
直流电动机转速控制硬件系统研究
摘要
近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。
直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求,直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。
而作为单片嵌入式系统的核心--单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。
随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。
这是因为单片机具有很多优点：
体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。
本文选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。
本系统设计中以8位单片机C8051为控制来完成对直流电动机的正反转速控制系统，并接入了键盘、显示器。
本设计将采用直流脉宽调制PWM对电动机进行开环控制。
关键词:
直流电动机、单片机、键盘、显示器、PWM
DCMotorSpeedControlSystemHardware
Abstract
Inrecentyears,withthetechnologydevelopmentandprogress,aswellasmarkettheproductfunctionalityandperformancerequirementscontinuetoincreasetheapplicationofDCmotorismorewidespread,especiallyintheapplicationofintelligentrobot.DCmotorstartingandspeedperformance,veryimportantcharacteristicsofstrongoverloadcapacity,inordertobeabletomeettherequirementsofthedevelopmentofasingleDCMotorSpeedControlSystemhasbeengreatdevelopment.Asasingle-chipembeddedcoreofthesystem--SCMistowardsmulti-function,multi-choice,high-speed,lowpower,lowprice,largestoragecapacityandstrongI/Ofunctionsdirection.Withthecontinuousimprovementofthecomputergrade,functioncontinuouslyimproved,single-chiphasbecomeincreasinglywidelyusedinvariousareasofcontrol,automationandintelligence,etc.,especiallyintheDCmotorspeedcontrolsystem.Thisisbecausethemicrocontrollerwithmanyadvantages:
smallsize,full-featuredanti-interferenceability,highreliability,reasonablestructure,instructionrichincontrolfeaturesstrongandlowcost.
Thesystemisdesignedwith8-bitmicrocontrollerC8051tocompletetheprosandconsoftheDCmotorspeedcontrolsystem,andaccessthekeyboardandmonitortothesystem.Thisdesignusesthemotoropen-loopcontrolmethod---PWM.
KeyWords：
DCmotors;SCMkeyboard;monitor;open-loopcontrol;PWM
主要符号表
Un电枢电压、额定磁通量
K与电机有关的常数
R。
电枢外加电阻、电枢内电阻
n0、△n理想空载转速、转速降
Vmax电机全通电时的速度（最大）
D=t1／T占空比
R电阻
C电容
S开关
M电机
Q晶闸管，放大器
1绪论
1.1前言
电动机（Motors）是把电能转换成机械能的设备，分布于各个用户处，电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。
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，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。
其广泛应用于各种领域，作为多种机械中各种设备的动力。
而单片机对电动机的控制在生活，生产当中也显得尤为重要。
电动机与人们的生活息息相关，密不可分。
随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。
而本文介绍的就是直流电动机，并由51单片机控制，对其的转速进行研究。
1.2直流电动机的介绍
1.2.1直流电动机的发展概况
电机的发明至今已有180多年的历史，其发展大体上可以分为三个时期：
（1）直流电机的产生和形成；
（2）交流电机的形成；（3）电机理论，设计和制造工艺逐步达到完善。
[1]电动机原理最早的提出者是英国的科学家法拉第，他首先证明了电力可以转变为旋转动力，而后据说是德国的雅克比最先将之付诸实践，制造出了第一台电动机。
电动机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。
电动机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了2.2公里，但这不影响电动机实验的成功。
电动机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里，也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有商业价值。
电动机被广泛应用的推动力来自直流电动机的问世，在1870年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电动机的效率进行提高。
电动机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几乎也是在格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声[2]。
1.2.2直流电动机在各领域中的应用
直流电动机有较好的控制特性，由于交流电动机的调速控制问题一直没有很好的解决方案，而直流电动机具有调速性能好、启动容易、能够载重启动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，主要应用于冶金、机械、印刷、车床、电镀等行业。
直流电动机结构较复杂，由于有换向装置，在运行中出现的故障也较多，给维护、检修工作带来许多困难。
近年来我国的电动机修理工、维修电工等人员迅速增加，他们迫切希望快速提高自身的技术水平，以适应企业发展形势的需要。
1.2.3直流电动机的优、缺点
优点：
（1）调速范围广，易于平滑调节；
（2）过载、启动、制动转矩大；
（3）易于控制，可靠性高；
（4）调速时的能量损耗较小。
缺点:
换向困难，容量受到限制，不能做的很大。
1.3单片机的介绍
1.3.1单片机的发展概况
随着超大规模集成电路的发展，单片机先后经历了4位机、8位机、16位机、32位机和64位机的发展阶段:
（1）1971年，美国Intel公司首先推出了4位微处理器芯片4004；1975年，美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS-1000；此后，各个计算机生产公司竞相推出4位单片机。
（2）1972年Intel公司首先推出了8位微处理器8008，并与1976年9月率先推出MCS-48系列8位单片机，使单片机发展进入了一个新的阶段。
在这之后，8位单片机纷纷面世。
（3）1983年以后，集成电路的集成度可达十几万只管/片，各系列16位单片机纷纷面世。
这一阶段的产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年Intel公司推出的80C96，美国国家半导体公司推出的HPC16040,NEC公司推出的783XX系列等。
（4）随着高新技术在智能机器人、光盘驱动器、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器等领域的应用与发展，20世纪80年代末推出了32位单片机，如Motorola的MC683XX系列，Intel的80960系列，以及近年来流行的ARM系列单片机。
32位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的发展及开发成本和产品价格的下降，将会与8位单片机并驾齐驱。
（5）近年来，64位单片机在引擎控制、智能机器人、磁盘控制、语言/图像通信、算法密集的实时控制等场合已有应用，如英国Inmos公司的TransputerT800是高性能64位单片机。
虽然单片机的发展按先后顺序经历了4位、8位、16位、32位、64位的阶段，但从实际使用情况看，并没有出现像微处理器那样推陈出新、更新换代的局面，这也是单片机发展的一大特点。
8位单片机是市场的主流产品，但32位单片机的发展也很迅速。
[3]
1.3.2单片机的应用
目前单片机渗透到人们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输，广泛使用的各种智能IC卡等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
单片机的特点主要有：
高集成度，体积小，高可靠性；控制功能强；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；易扩展；优异的性能价格比。
现今，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
此外在开发和应用过程中更要掌握技巧，提高效率，以便于发挥它更加广阔的用途。
在现实中单片机控制应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等各个领域深刻了解其转速控制有重大意义，现实中大致可分如下几个范畴：
（1）在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
（2）在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统，以及本设计的控制调速系统等。
（3）在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
（4）在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
（5）单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
[3]
1.3.3单片机控制调速系统的发展概况
近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。
直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。
而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。
随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。
这是因为单片机具有很多优点：
体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。
所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。
本系统设计以8位单片机AT89C51为主机，以AT89C2051为分机，来完成对直流电动机的反馈控制系统。
1.4课题背景，国内外研究现状
电机行业是适应中国工业发展对电机的需求，逐步建立并完善起来。
20世纪60年代初期建成了许多专业生产电机的企业和研究所，自行设计了接触式自整角机、交流和直流伺服电机等多种微型特种电机产品。
80年代，为满足家用电器市场需求以及微型计算机的广泛应用和普及，引进了步进电机生产线，并开发了宽调速直流伺服电动机和军用电机。
90年代以后，由于国外市场的转移，电机行业的发展速度加快，推出了永磁交流伺服电动机、无刷直流电动机等新产品。
同时，随着控制理论的进一步完善和集成电路的广泛应用，电机控制技术获得迅速发展:
（1）我国大功率电机的发展
中国电机的生产和应用起步很晚，但发展很快。
中国在文化大革命中已经生产和应用，例如江苏，浙江，北京，南京，四川都生产，而且都在各个行业使用，驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路，还有电容耦合输入的计数器，触发器，环形分配器。
中等耐压的大功率半导体
器件也完全国产化。
当时应用最多的是线切割机，都是快走丝的。
线切割机的X-Y平台丝杆就用步进电动机驱动。
当时图纸是全国公开，给个晒蓝图的费用就行了。
随着改革开放政策方针的实施，80年代我国电机发展很迅速。
步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。
在卫星，雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机。
我国直线电机的研究和应用发展是从20世纪70年代初开始的。
我国的直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但和国外相比，其推广应用方面尚存在很大差距。
90年代至今，我国的大功率电机已在重工业上应用很广，技术相对成熟。
（2）小功率电机的发展
我国小功率电机产业经过40多年的发展，特别是改革开放20多年以来的快速发展，取得了长足的进步。
小功率电机产业在我国的发展分两个阶段。
第一阶段，顺应我国家电业发展的需要，应用于风扇，空调器，冰箱，洗衣机，排油烟机，小家电，保健器具等产品的小功率电机，国内企业通过技术引进，设备引进吸收，已缩小了同发达国家的差距，部分产品的技术水平已达到国际先进水平，企业具有了很强的自主研发能力，自主知识产权，也形成了一些具有广泛市场知名度的产品品牌。
电机产品在自身大量出口欧美等国际市场的同时也随着风扇，空调器等家电主机产品畅销国际市场，成为我国机电出口业务的主要部分。
第二阶段，随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求也迅速增长，带动了以永磁直流和无刷直流电机为主体的车用功能型小功率电机的兴起。
（3）我国电机发展现状
目前，我国大大小小的机电厂上千家，尽管企业数量庞大，但相当一批是小型企业。
由于生产厂家多，产量大，形成了相互抢占市场压价竞争局面。
产品质量参差不齐，相互压价竞争，行业利润微薄现象，已成为影响电机企业生存和发展的主要原因。
但是近年来，我国的电机行业也涌现了一批产量规模大，产品水平，质量好，技术装备先进的企业。
但是，还没有哪家的产品份额能在国内市场占到统治地位。
中小电机至今还没有形成具有国际影响力的品牌。
电机行业亟需重新整合，优胜劣汰，这已成为电机行业的发展趋势。
我国电机未来的发展趋势:
由于能源和环境问题的日显重要，对于工业领域中的主要动力设备—中小型异步电机，国外出现了更高效率的所谓“超高效率电机”。
在我国也非常有必要考虑超高效率电机的发展和应用。
[4]
国外的直流电动机发展比国内的发展起步早，所以在直流电动机应用的前几十年中国一直都是借鉴而创新的东西很少。
在国外单纯从直流电动机上讲从技术以及工艺上都超过了国内，虽然国内理论认识非常充足，但是实践上的问题还是不少。
2009年直流电机行业企业受到金融风暴冲击，状况不稳定。
直流电机行业竞争手段将更为多样化，市场环境更为复杂化，产品更新快速化。
对于直流电机企业，有更多难以控制的风险，也有更难把握的机遇。
我国直流电机行业影响也是巨大，金融危机下直流电机行业的宏观经济环境并不是非常乐观，但是不是不可救药的，应该在险峻的形势下发展新的产品，从工艺上以及技术上不断创新，这样应得更好的市场。
[5]
1.5本文主要研究内容
1.5.1本文研究内容目标
对于一个额定电压12伏、功率1瓦的直流电机，实现正反转速控制。
要求用51单片机和若干IC芯片、模拟器件设计它的开环控制电路和驱动电路。
键盘用于转速数值输入，显示器用于显示速度给定值。
本文所做的主要工作：
（1）完成率直流电动机转速控制硬件系统设计方法综述；
（2）模拟器件设计它驱动电路，直流电动机双极性控制；
（3）显示器设计，键盘扫描设计，分析工作过程；
2系统总体方案研究
2.1直流电动机的工作原理
2.1.1直流电机的构成
（1）.定子:
主磁极,换向磁极,机座,端盖,电刷装置；
（2）.转子:
电枢铁心,电枢绕组,换向装置,风扇,转轴；
（3）.气隙:
与定子、转子其间。
2.1.2直流电动机的原理介绍
直流电动机实质上是一台装有换向装置的交流电动机，带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩,推动转子转动起来。
导体在磁场中运动时，导体中会感应出电势e。
e=Blv。
其中，B:
磁密；L：
导体长度；V：
导体与磁场的相对速度。
正方向：
用右手定则判断。
电势e正方向表示电位升高的方向，与U相反。
如果同一元件上e和U正方向相同时，e=-U。
2.2直流电动机驱动电路选择
根据电机学可知，直流电动机转速n的表达式为：
式中U为电枢电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；
为每极磁通量；K为电动机结构参数。
直流电动机的转速控制方法可分为两大类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
其中励磁控制法在低速时受磁饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法较少使用。
现在，大多数应用场合多使用电枢电压控制法。
所以本设计对直流电动机电枢电压控制的驱动电路采用达林顿管组成的H型PWM电路。
PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截至，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入控制脉冲的占空比，精确调整直流电动机的转速。
这种电路由于管子工作只在饱和截至状态下，效率非常高。
H型电路使实现转速和方向的控制简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。
2.3PWM控制技术
脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
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。
2.3.1脉宽调制的基本原理
随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。
9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。
与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。
模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。
在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。
拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。
与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。
其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。
能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。
模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。
模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
2.3.2脉宽调制的具体过程
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
许多微控制器内部都包含有PWM控制器。
例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。
占空比是接通时间与周期之比D=t1
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