直流电机控制器设计说明书.docx

1、直流电机控制器设计说明书直流电机控制器设计说明书1.1 设计思想直流电机PWM控制系统主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由89C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直

2、流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。1.2 系统总体设计框图直流电机PWM调速系统以AT89C51单片机为核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LED显示模块去显示，进而读取其速度。1.3 程序设计流程图图1-1 系统总体设计框图图1-2中断服务流程图图1.2 定时中断服务流程图2 总体硬件电路设计2.1 芯片介绍2.1.1 89C51单片机结构特点：8位CPU；

3、 片振荡器和时钟电路； 32根I/O线； 外部存贮器寻址围ROM、RAM64K； 2个16位的定时器/计数器； 5个中断源，两个中断优先级； 全双工串行口； 布尔处理器。图2-1 89C51单片机引脚分布图2.1.2 RESPACK-8排阻RESPACK-8是带公共端的8电阻排，它一般是接在51单片机的P0口，因为P0口部没有上拉电阻，不能输出高电平，所以要接上拉电阻。图2-2 RESPACK-8引脚分布图2.1.3 驱动器L298 L298是双电源大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器，线圈，直流电动机，步进电动机等电感性负载。其驱动电压可达46V，直流电流总和可达

4、4A，其部具有两个完全相同的功率放大回来。图2-3 L298引脚分布图2.1.4 显示模块数码管每字由7节组成，其工作电流为每节5-20mA，每字35-140mA ，本实验采用单片机的P0口控制数码管的段选，用P2口控制数码管的位选。实验采用的数码管段选采用共阴极连接，位选采用的共阳极。电路图如下：图2-4 数码管连接图2.2 主电路设计主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其

5、间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。数码显示部分LED数码管显示。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。图2-4 系统主电路图2.3 PWM控制电路设计2.3.1 PWM的基本原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直

6、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“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2-5所示：图2-5 PWM方波设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机

7、在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D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。2.3.2 PWM控制电路设计图2-6 PWM控制电路图2.4 直流电机单元电路设计2.4.1 直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（含CMOSS管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理1.直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流

8、发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。2.直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2-7所示。 图2-7 直流电动机结构3.直流电机的基本工作原理 图2-8 直流电机的基本工作原理图对图2-7所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图2-8中图（a）所示，则有直流电

9、流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图2-8中图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。实用中的直

10、流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。4.直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。 额定电流Ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间的电机转动快慢。以r/min为单位。 励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。2.4.2 直流电机的中断键盘控制模块1.外部中断设置(1)外部中断允许设置中断控制寄存器IE的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE对应的位和总开关EA置1即可。如：开放

11、外部中断0的设置： EX0=1EA=1开放外部中断0和1的设置： EX0=1 EX1=1 EA=1(2)外部中断触发方式设置单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON的IT位有关。TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0电平触发设置方法： ITX，为低电平触发方式。脉冲触发设置方法： ITX1，为脉冲下降沿触发方式。在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。(3)外部优先级设置外部中断IN0、INT1的中断优先级的设置是通过设置IP寄存器实现的，IP的PX0对应INT0，PX1对应INT1。PX置1为高级中断，PX

12、为0为低级中断。PSPT1PX1PT0PX02.外部中断扩展方法图2-9为外部中断扩展方法，分别代表正转信号，反转信号，加速信号，减速信号，停止信号。图 2-9 外部中断扩展电路3 直流电机PWM控制系统的实现3.1 总电路图图3-1 总电路图3.2 总电路功能介绍直流电机PWM调制控制系统具有加速、减速、正转、反转、停止控制功能。操作开关通过中断控制直流电机的加速、减速、正转、反转、停止控制功能，并通过LED液晶显示。振荡、时钟电路和复位电路由89C51单片机部给出。直流电机转动速度由LED液晶显示。操作开关状态由液晶显示器显示。4 系统仿真LED液晶显示电路的系统仿真与调试：在PROTEU

13、S运行环境中首先检验LED显示电路，添加程序，运行LED液晶显示电路能，系统若运行成功将 得到如图4-1。图4-1 数码显示字符初步调试调试用带中断的键盘来控制直流电机驱动模块的部分电路，若按要求调试成功，将得到图4-2。图4-2 用键盘来控制的电机启动目标系统，按正转，然后接加速开关，我们观察到电机开始运转，每按一次加速，电机的速度都要增加，此时如果按减速，则电机的转速慢慢地减小。同样按反转转键也看到同样的结果，当按停止键时，电机慢慢停下来，图4-4是在目的电路刚启动时未设置命令之前的状态，图4-5是在正转情况下的仿真结果，图4-6是在反转情况下的仿真结果。图4-4 未按键时的初始状态图4-

14、5 电机正转时的状态图4-6 电机反转时的状态5 结束语通过这次课设，第一次使用protues软件通过这一周的实习让我对软件仿真有了进一步的认识，从中也学到了许多知识，通过查阅一些资料，不仅增加了我的知识面，而且也让我在软件仿真方面积累了一些经验。并且这次我也做了实物，让我更深的体会到实物与仿真之间的差距，积累了自己在这方面知识，是自己解决问题能力得到了进一步的提升。并且我深刻认识到自己还有很多不足之处，也发现了自己知识的欠缺，知识面较窄，难以做到理论联系实际，认识到自己的实践经验相当缺乏，理论联系实际的能力急需提高。通过一周的学习，是我的知识更加牢固，更易于知识间的融会贯通，建立了自己的知识

15、体系，更利于以后的工作学习。有时候失败与成功仅是一点点的距离，贵在坚持，很多人都是被这一小小差距二淘汰，在生活学习中我们应当本着积极乐观的态度去看待我们身边的每一件事，理性的去思考问题，千万莫因为自己的消极态度而失去大好机会。这次课设要感老师的指导和解惑，帮助我成功完成课设；同样同学们对我的帮助，帮我解决了不少问题。通过这次课设是我成长了不少，让我更加有动力去努力学习本专业知识，不断丰富自己。参考文献1锟,危立辉.基于单片机的直流电机调速器控制电路J.中南民族大学学报(自然科学版).2003,92维军,小刚, 晋.基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统J.维普资讯.2007,93友德等.单片机原理应用与实验M.复旦大学.19924毅刚,喜源,谭晓钧,曲春波.MCS51单片机应用设计M.工业大学.2001,15宋庆环,才卫国,高志.89C51单片机在直流电动机调速系统中的应用M.学院.2008,46锟,危立辉.基于单片机的直流电机调速器控