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1、基于AT89C51直流电机PWM调速系统设计基于AT89C51的直流电动机PWM调速系统设计摘要 ：文章设计了以单片机AT89C51和L298N控制的直流电机脉宽调制PWM调速系统。主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的根本方法，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、急停、加速、减速控制以及PWM的占空比在四位LED上的实时显示。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

2、机、无刷电机、步进电机等。直流有刷电机是所有电机的根底，它具有启动快、制动及时、可在大围平滑地调速、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

3、动控制系统，近年来，在微机控制和电力电子变频装置高度开展之后，这个愿望终于有了实现的可能。电动机控制技术的开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局部操作的人工职能，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开展，推动数控技术更快的更新换

4、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构造的新一代数控系统。开放式体系构造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、网络化方向大大开展。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年发生了很大的变化。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开展。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 直流调速的开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。

5、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应给电网，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

6、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、电动机系统不能比较的。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

7、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、高可靠性及低本钱。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用围不断扩大，直流调速技术不断开展。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开展，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

8、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开展，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等大功率器件的开展正在取代晶闸管，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局部操作的人工职能，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年发

9、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开展。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开展。2.直流电动机原理2.1 直流电机的根本工作原理直流电机由永久磁铁、电枢、换相器等组成。如图1-1和图1-2所示，上下是两个固定的永久磁铁，上面是N极，下面是S极，磁力线从N到S。两极之间是一段可旋转的导体abcd，称为电枢。电枢的ab段与cd段分别接到两个互不接触的半圆形金属片上，这两个金属片称为换向器。如图2-1所示，

10、在换向器的AB两端上加上一个上正下负的直流电压，电流由a到b，由c到d。根据左手定那么，ab段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，cd段向右移动。在这两个力的作用下，abcd电枢开场逆时针旋转，因为换向器和电枢固定在一起，它也跟着转动。图1-1直流电动机工作原理1图1-2 直流电动机工作原理2当电枢转过180时如图1-2所示，cd段在上方，ab段在下方，电流由d到c，由b到a。根据左手定那么，cd段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，ab段向右移动，即电枢继续往逆时针旋转方向旋转。当电枢再转过180后，变回图1-1的情况，电机继续重复地转动。如果把AB两端的电压方向反过来,电枢将顺时针旋转，原

11、理同上。2.2 直流电机的电器特性图1-3为直流电机的等效电路图。电源Eb给电机供电,产生电流Ia。电机在运转过程中等效于电阻Ra和反向电动势Ec串接起来。其中Ra为电枢等效电阻；Ec为电枢旋转时产生的反向电动势，它和转速成正比，转速越快，反向电动势越大。图1-3 直流电机的等效电路根据图1-3列出了如下公式： Eb=RaIa+Ec (1-1)上面已经说过，反向电动势和转速成正比，具体关系为： (1-2)式中是电动势常数，是气隙磁通，它们都是电机的固有常数。另外，电机的电流和电机的输出转矩成正比。具体关系为： (1-3)式中是电磁转矩常数，它是电机的固有常数。 第二章 直流电机的控制方案设计2

12、.1 直流电动机的调速方法直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。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。该法只适用在一些小功率且调速围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。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。近年来，随着电力电子技术的迅速开展，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

13、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开展，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等大功率器件的开展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为: (2-1)式中 Ua电枢供电电压V；电枢电流A；励磁磁通；电枢回路总电阻；电势系数，p为电磁对数，N为导体数。由式(2-1)可以看出，式中、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种根本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻；(2)改变电枢供电电压；

14、(3)改变励磁磁通。1.改变电枢回路电阻调速各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图2-1(a)所示。此时转速特性公式为 (2-2)式中为电枢回路中的外接电阻。当负载一定时，随着串入的外接电阻的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。其机械特性如图2-1(b)所示。的改变可用接触器或主令开关切换来实现。图2-1 改变电枢电阻电路图图2-1(b) 改变电枢电阻调速时的机械特性这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。2.改变电枢电压调速1采用发电机-电动机组调速方法如图2-2(a)所示，通过改变发电机励磁电流来改

15、变发电机的输出电压从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图2-2(b)所示。改变发电机励磁电流的方向，的极性和n的转向都更这改变，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限。图2-2 (a) G-M直流调速系统图2-2(b) G-M机械特性由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打根底、运行噪声大、维护不方便。为克制这些缺点，50年代开场采用水银整流器大容量和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。2采用

16、晶闸管变流器供电的调速方法图2-3(a) V-M调速系统图2-3(b)V-M调速系统机械特性有晶闸管变流器供电的调速电路如图2-3(a)所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图2-3(b)中。图2-3(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，那么为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。变电枢电压调速是直流电机调速

17、系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式，那么不管在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反应控制系统，调速围可达50:1150：1，甚至更大。3采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法PWM(脉宽调制)是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压。脉宽调速系统出现的历史长远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产实际中推

18、广应用。近年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件的制造工艺成熟、本钱不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛开展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。本设计因使用小容量直流电机，故采用第三种调速方法即PWM控制技术，实现基于AT89C51的直流电机的速度控制。3.改变励磁电流调速当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1可看出，电动机的转速与磁通也就是励磁电流成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，那么n降低。与此同时，由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积即，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这

19、种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的围一般为1.5:13:1，特殊电动机可到达5:1。这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现.2.1.1 PWM调速设计调速采用PWMPulseWidthModulation脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以到达调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对

20、模拟电路进展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。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准确地等于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围之。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，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展控制，如对汽车收音机的音量进展控制。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

21、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细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本钱和功耗。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。设计方案主要包括

22、四个模块：单片机控制模块，L298N驱动模块，占空比显示模块，运行方式设置模块。2.1.2 直流电机控制构造图图2-4直流电机控制构造图第三章 直流电机调速硬件设计3.1 最小系统设计3.11 AT89C51介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的一种，它与MCS51系列的许多机种都具有兼容性，并具有广泛的代表性。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编

23、程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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，AT89C2051是它的一种精简版本。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。 AT89C51的特点与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保存时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器

24、5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路 引脚定义及功能AT89C51有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四局部。其封装形式有两种：双列直插封装(DIP)形式和方形封装形式，如图3-1所示。图3-1 AT89C51引脚主电源引脚VCC：供电电压+5V。GND：接地。I/O端口功能P0口： P0口有八条端口线，命名为P0.0P0.7，其中P0.0为低位，P0.7为高位。每条线的构造组成如图3-2所示。它由一个输出锁存器，两个三态缓冲器，输出驱动电路和输出控制电路组成。P0口是一个三态双向I/O口，它有

25、两种不同的功能，用于不同的工作环境。P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 图3-2 P0口位构造图 P1口：P1口有八条端口线，命名为P1.0P1.7，每条线的构造组成如图3-3所示。P1口是一个准双向口，只作普通的I/O口使用，其功能与P0口的第一功能一样。作输出口使用时，由于其部有上拉电阻，所以不需外接上拉电阻；作输入口使用时，必须先向锁存器写入“

26、1，使场效应管T截止，然后才能读取数据。P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。图3-3 P1口位构造图P2口：P2口有八条端口线，命名为P2.0P2.7，每条线的构造如图3-4所示。P2口也是一个准双向口，它有两种使用功能：一种是当系统不扩展外部存储器时，作普通I/O口使用，其功能和原理与P0口第一功能一样，只是作为输出口时不需外接上拉电阻；另一种是当系统外扩存储器时，P2口作系统扩展的地址

27、总线口使用，输出高8位的地址A7A15，与P0口第二功能输出的低8位地址相配合，共同外部程序或数据存储器(64 KB)，但它只确定地址并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进展存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的容。P2口在F

28、LASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口有八条端口线，命名为P3.0P3.7，每条线的构造如图3-1所示。P3口是一个多用途的准双向口。第一功能是作普通I/O口使用，其功能和原理与P1口一样。第二功能是作控制和特殊功能口使用，这时八条端口线所定义的功能各不一样，如表3-4所示。P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。图3-4 P2口位构造图 图3-5 P3口位构造图

29、表1 P3口各位的第二功能引脚第二功能功 能 说 明 P3.0RXD串行数据输入端P3.1TXD串行数据输出端P3.2INT0外部中断0中断请求信号输入端P3.3INT1外部中断1中断请求信号输入端P3.4T0定时/计数器0外部计数脉冲输入端P3.5T1定时/计数器1外部计数脉冲输入端P3.6WR片外RAM写选通信号输出端P3.7RD片外RAM读选通信号输出端3.12 系统时钟的设计时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进展工作 ，时钟的频率影响

30、单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：部时钟和外部时钟。我们系统采用部时钟方式来为系统提供时钟信号。AT89C51部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自鼓励振荡器。电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ。图3-6 系统时钟3.1.3 系统复位方式当MCS-5l系列单片机的复位引

31、脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种根本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图 (3-7)中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能到达上电复位的操作功能，如图 (3-7)中所示。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图 (3-8)所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。根据实际操作的经历，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 单片机的复位电路图3-7 中：Cl22uF，R11k图3-8中：C：22uF，Rl300，R21k图3-7复位