直流电机PWM调速与控制分析方案
综合设计报告
单位：自动化学院
学生姓名：
专业：测控技术与仪器班级： 0820801
学号：
指导老师：
成绩：
设计时间： 2018 年 12 月重庆邮电大学自动化学院制
一、题目
直流电机调速与控制系统设计。
二、技术要求
设计直流电机调速与控制系统，要求如下：
1、学习直流电机调速与控制的基本原理；
2、了解直流电机速度脉冲检测原理；
3、利用51单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路；
4、使用C语言编写控制程序，通过实时串口能够完成和上位机的通信；
5、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图。
6、要求电机能实现正反转控制；
7、系统具有实时显示电机速度功能；
8、电机的设定速度由电位器输入；
9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。
三、给定条件
1、《直流电机驱动原理》，《单片机原理及接口技术》等参考资料；
2、电阻、电容等各种分离元件、IC、直流电机、电源等；
3、STC12C5A60S2单片机、LM298以及PC机；
四、设计
1. 确定总体方案；
2. 画出系统结构图；
3. 选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路，设计硬件电路；
4. 设计串口及通信程序，完成和上位机的通信；
5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告；
直流电机调速与控制
摘要：当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品<如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。
本电机控制系统基于51内核的单片机设计，采用LM298直流电机驱动器，利用PWM脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机I/O口定时采样，最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制，其中电机的设定速度由电位器经A/D通过输入，系统的状显示与控制由上位机实现。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。
关键字：直流电机、反馈控制、51内核、PWM脉宽调制、LM298
一、系统原理及功能概述
1、系统设计原理
本电机控制系统采用基于51内核的单片机设计，主要用于电机的测速与转速控制，硬件方面设计有可调电源模块，串口电路模块、电机测速模块、速度脉冲信号调理电路模块、直流电机驱动模块等电路；软件方面采用基于C语言的编程语言，能实现系统与上位机的通信，并实时显示电机的转速和控制电机的运行状态，如开启、停止、正反转等。
单片机选用了51升级系列的STC12c5a60s2作为主控制器，该芯片完全兼容之前较低版本的所有51指令，同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路10位AD转换器、一个SPI接口等，能非常方便的满足本次电机控制的需求，其PWM端口用于输出一定频率且脉宽可调的PWM波用于控制电机转速，单片机自带的A/D端口作为设定速度的模拟信号输入口，定时器用于串口通信和速度的定时采样以及上位机的定时显示等。
系统的电机驱动单元选择了LM298N大功率驱动芯片，再利用TLP521光耦合器和整流二极管设计的驱动电路能实现电器隔离与控制，能提高控制效率和精度极大减少了挠动干扰，而且可以实现电机的正反装和刹车功能。
系统测速模块基于槽型光耦GK105设计，将电机的转速转换成不同频率的脉冲信号，在经过基于LM324的电压比较器
和74HC573锁存器进行信号波形的整形，最后通过检测单片机的I/O 口的脉冲实现速度的测量。
1．1直流电机基本工作原理
图1.1直流电机的基本结够图
1．2直流电机调速原理
直流电机转速n 的表达式为
:
(1 - 1>
式中:U-电枢端电压；I-电枢电流；R-电枢电路总电阻；Φ-每极磁通量；K-与电机结构有关的常数，因此直流电机转速n 的控制方法有三种，主要以调压调速为主。
本控制器主要通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调
频。本系统采用了定频调脉宽方式的PWM 控制，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM 脉冲的软件实现上比较方便。
对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越
性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高。理想空载转速相同时,闭环系统的静差率<额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多。当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范围可以大大提高。直流电机的速度控制方案如图1所示。
图 1 直流电机速度闭环控制方案
二、系统硬件设计
1．系统总体设计框图
本系统采用STC12C5A60S作为控制核心，用上位机显示设定转速和测量转速以及控制电机。采用LM298驱动芯片作为本系统的驱动电路和用槽型光耦GK105作为该系统的测量电路。框图如2所示。
2．模块电路及功能介绍
2.1单片机最小系统电路
单片机主要擅长系统控制，而不适合做复杂的数据处理，在设计单片机最小系统时我们选用STC12C5A60S2位DIP-40封装的单片机作为MCU。STC12C5A60S2芯片是有宏晶科技生产的单时钟./机器周期<1T）的单片机，具有64K的用户程序存储空间及1280字节的RAM，完全兼容之前较低版本的所有51指令，但速度快5—8倍，内部集成有MAX801专用复位电路、同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路高速10位AD转换器、一个SPI接口等，应用于电机控制等强干扰场合。
本系统的单片机最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路、外围总线接口等部分组成。图3为单片机最小系统结构框图。
图3 51最小系统电路
2.1.1系统时钟电路
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如图6所示，可以根据情况选择6MHz、8MHz或12MHz等频率的石英晶体，本系统采用12MHz的晶振。补偿电容通常选择20-30pF左右的瓷片电容。
2.1.2复位电路
单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如图6所示。上电自动复位通过电容充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻与VCC接通来实现。
2.2电机驱动模块
直流电机驱动采用常用的H桥电路，通过控制信号选通对管与否实现电机的正反转，并改变所加电压的占空比来改变电机转速。如图4所示，这里采用电机驱动专用芯片L298N，该芯片可驱动两路5‐36V的直流电机或者一路四拍的步进电机。同时在L298N与主控芯片间通过四路光耦TLP521‐4隔离消除干扰信号。在STC12C5A60S2上配置好串口、PWM，实现串口接收的数据直接赋值给PWM定时器CCAP1L、CCAP1H。利用串口调试助手发送控制信息给STC12C5A60S2，同时辅助外界6V电源更改L298N的
IN1和IN2共同完成L298N电机驱动模块的调试。
图4 LM298N电机驱动电路
2.3直流电机测速电路
2.3.1槽型光耦GK105测速电路
图 5 槽型光耦GK105电路
图6 电机转速编码装置
如图5和图6所示，光电对管采用槽型光耦GK105电路由一只特殊的发光二极管和光电三极管构成，当二极管发出的光打在光电三极管的基极B上时三极管CE导通。而正常情况下二极管的光不能到达光电管的基极上，故通过装在电机转轴上得
圆形编码片即可实现对小车的测速。假设编码片儿有n片个缺口，测得光电三极管的输出脉冲频率为f，则车速=f/n。
由图7可知,电机每转一圈,槽型光耦产生4个脉冲,因此可以利用槽型光耦传感器信号得到电机的实际转速。为尽可能缩短一次速度采样的时间,则电机的实际转速为：
V=(N/4>*60。
V:速度 R/min
N:每秒采样的脉冲个数
图7 电机转1圈GK105光耦管信号2.3.2速度脉冲信号调理电路
给电机加电让其带动编码盘旋转，将光电对管靠近编码盘，用示波器观测输出脉冲信号的有无与好坏。信号调理电路主要利用LM324运算放大器设计的比较器，如图8所示，调节比较器偏置电压使脉冲最接近于方波且幅度大于3.3V。为了提高测速的精度，在信号后级添加比较器调理信号为标准的方波，调节比较器运放的偏置电压使方波信号最适合于测速。
图 8 基于LM324的信号调理电路2.4串口电路设计
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。其内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路，由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道，由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚 图 9 串口电路图 2.5系统电源设计 本系统要求有5V 和6—7V 的电源输入，因此我们选用了LM317作为电源芯片。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。其应用电路如图10所示。图11为电源滤波电路。 图10 3.3V 稳压电路 图11 滤波电路 稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo=1.25<1+R2/R1）。本系统中取R1为240n,R2取5K 的可调电位器。通过调节R2的阻值大小，进而可以改变输出电压的大小，实现电压可调，其可调范围是Vo=1.25V —37V 。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。 2.6电机设定速度输入电路 本系统采用了简单的电位器，通过电位器将5V电源信号分压在经过单片机A/D端口输入到CPU处理，实现电机速度手动的可调，其电路如图12所示。 图12 电位器速度设置电路 三、系统软件设计 本程序主要分为6大块，主程序、A/D转换处理程序、PWM输出程序、串口显示与电机状态控制程序、定时器0的中断服务程序，串口中断服务程序。主程序主要做了系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。配置STC12C5A60S2定时器0为定时器方式2、50ms计数器中断，累计20次定时器0中断为1秒，此时TL1即光电对管输入的脉冲频率，同时在此一秒内触发AD采集一次电源电压Voltage送入内存并通过运算转换成设定的速度值。PC终端的显示也是没隔一秒刷新一次。配置STC12C5A60S2串行口1为方式2、独立波特率发生器9600、允许接收中断。当串口1接收到PC机数据转入中断处理程序，检测接收到的数据以此来区分数据是属于哪种控制信号。 配置STC12C5A60S2脉宽调制PWM为8位、无中断。主程序中循环执行Pwm<）函数实时更改PWM定时器CCAP1L、CCAP1H的值，实现对电机转速的控制。 1．主程序 主程序主要功能为系统初始化，定时器0的初始化和主循环等。流程图如图13所示 图13 系统主程序流程图 2．串口中断发送程序 本系统的串口通信指的是单片机与上位机 如图14所示，在本设计中，采用的是STC12C5A60S2芯片的串口UART0来与PC机进行串口通信。在串口UART0的配置中，定时/计数采用方式2是将两个8位计数器TH1和TL1分成独立的两个部分，组成一个8位可自动再装入的定时器/计数器，由TL1作为8位计数器，TH1作为计数初值寄存器，设置初值时同时送TH1和TL1，当TL1计数满回0产生溢出，不仅置位TF1,而且控制TH1中的初值重新装入TL1，继续下一轮计数，此信号送串行通信系统，以设置串行通信波特率，波特率设置公式如式所示：波特率=2SMOD*(溢出率>/32 。 图14 串口发送程序流程图 3．串口中断接收程序 上位机控制单元解扩出1bit数据后，产生一次中断。接收时首先采用16bits接收窗口、1bit滑动方式来接收通信的同步帧头0x09、0xAF，帧头接收成功后，后续数据按每8bits一个字节的方式进行截取，得到传送的有效数据，同时将得到的有效数据存储在缓冲单元中；接收过程中，按有关的通信协议进行地址判别、长度接收、校验计算。地址相同的模块对符合通信协议的数据进行应答，转入发送态。程序流程图如图15所示。 图15 串口接收程序流程图 4．A/D转换程序 A/D转换程序主要用于电机速度的输入模拟信号的采集与转换。程序流程图如图16所示。 图16A/D转换程序流程图 5．PWM输出程序 PWM控制——脉冲宽度调制技术，即通过一系列脉冲的宽度调制来等效地获得所需的波形<含形状和幅值），程序主要用于控制电机转速，他通过主程序的反馈算法计算出来，然后调整脉冲宽度来控制电机。程序流程图如图17所示。 图17 PWM输出程序流程图 6．定时器0中断服务程序 定时器0中断程序主要用于1秒定时、转速的计算、A/D值采集以及上位机显示刷新。程序流程图如图18所示。 图18定时器0中断服务程序流程图 四、系统调试及性能分析 1. 系统硬件调试 1.1如图19为系统测速电路的采样波形 图19经整形后的速度脉冲波形 1.2串口收发数据调试 串口电路是连接PC机与通信模块的桥梁，可借助串口调试助手对所设计的串口通信电路和通信模块进行测试。如图5.1所示，通过串口调试助手，向端口分别发送数据0x01、0x02、0x03、0x04、0x05数据经串口电路被单片机接收，将数据进行存储判断，决定是开启显示和电机还是正反转或是停止，同时将所出状态及电机转速发送回来，在串口调试助手的接收窗口上可以看到接收到的数据。串口调试如图20所示。 图20 电机转速及对应的电压显示数据1.3实物展示 图22 系统实物图2．系统测试数据处理2.1利用matlab对电机两端电压和转速数据进行曲线拟合实型电压数据：votlage_V=[1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.42.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.41 3.49 3.613.71 3.8 3.9 4 4.1 4.21 4.3 4.4 4.51 4.6 4.7 4.8 4.9 5]。整型电压数据：votlage_D=[77,82,87,92,97,102,108,113,118,123,128,133,138,143,148,153,159,164,169,175,179,185,190,195,200,205,210,21 6,220,225,231,236,241,246,251,255]。测得速度数据：speed=[12,17,22,27,33,42,45,48,53,58,62,65,69,73,76,80,83,87,89,93,96,99,101,103,106,109,111,113,116,119,122,125,128,13 3,140,144]。 Matlab拟合命令： p=polyfit(votlage_V,speed,1>。speed_poly1=p(1>*votlage_V+p(2>。q=polyfit(votlage_D,speed,1>。speed_poly2=q(1>.*votlage_D+q(2>。figure(1> plot(votlage_V,speed,'or',votlage_V,speed_poly1>。grid on title('电压V-----转速r/s'> figure(2> plot(votlage_D,speed,'or',votlage_D,speed_poly2>。grid on title('电压D-----转速r/s'> 拟合曲线如图21所示： 图21 电压—速度曲线如图21所示，电机电压与转速基本成正比关系，所以可以按最小二乘法进行线性拟合，得到电压与转速关系式为：<1）电压为实型，转速=34.5178*电压V -28.91，其中 2.2 不同转速设定值下电机对应的输出转速及误差如表1 表1 电机转速误差表 2．3 电机输出转速误差曲线 图 23 电机输出转速相对电压绝对误差曲线 图 24 电机输出转速相对电压的相对误差曲线2．4 系统性能分析 对上面图23、图24两个误差曲线分析可以得出以下结论，一方面，当电机两端的电压在1.5V~4.8V范围了变化时，电机的转速变化范围在12R/S~134R/S<即720R/mint~8040R/mint）之间变化，当电机两端的电压在1.5V以下时，电机无法驱动，为电机的死区电压，电机转速变化基本符合实际情况。 另一方面，由于本系统自身设计本省存在着多种缺陷，所以测式结果产生了一定的误差，电机转速的绝对误差基本在6V以下，其相对误差根据两端电压范围的不同呈现不同的趋势，当电压在1.5V~1.8V左右，即电机转速≤50R/S时，电机输出转速的相对误差≤16%，当电机两端电压在 1.8V~4.8V左右，即电机转速≥60R/S时，电机输出转速的相对误差≤8%。所以系统综合性能基本能满足设计要求。 五、设计心得 课程设计是培养我们综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。 本次的课程设计是基于运用所学单片机技术、传感检测技术、电机驱动技术等方面的知识，设计电机调速与控制系统，很好的结合了当今工业直流电机方面的实际应用，相对于前几学期的课程设计，这次的题目综合性更高、设计难度更大、实用性更强，是对我们所学专业知识如《单片机原理及接口技术》、《传感器与检测》、《C语言程序设计》、《直流电机驱动原理》等课程知识的综合检验与应用，很好的锻炼了我们从单一模块到系统设计与调试能力的转变与提高，同时也让增强了我们直流电机控制原理与应用有了更深的认识和体会。 回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，我们小组都付出了很多努力，也收获了很多，在此次设计中不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计也使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能做出实际的有用的东西，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计还锻炼了我们的团队合作精神，只有大家在分工明确的基础上齐心协力，才能使团队获得成就。 在这次设计的过程中我们也遇到了很多困难，尤其是我们小组有两个人都要考研，时间特别紧迫，还有就是这次在电机的控制其设计和测速模块的设计上都遇到了很大的问题，但是我们在老师的指导下，我们小组积极讨论，分工合作，合理安排时间，通过查阅资料学习相关的知识，逐步突破了每一个技术难关，最后比较好的独立的完成了这次设计。 通过这次课程设计，我更发现了自己的很多不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，而且缺少自主分析问题的能力，碰到问题后有一种和逃避依赖心理。也让我明白做电子类设计每一步都要细心严谨，不能马虎。 六、参考文献 1．李朝青编．《单片机原理及接口技术》(简明修订版>．北京航空航天大学出版社，1998 2．胡向东编《传感技术》.重庆大学出版社，2006年第1版。 3. 谭浩强《C语言程序设计》. 北京：清华大学出版社，2002。 8. 后闲哲也编《单片机C程序设计与实践丛书》北京航空航天大学出版社 2008。 七、附录 程序：#include #include #include "STC_NEW_8051.H" typedef unsigned char INT8U。typedef unsigned int INT16U。 typedef unsigned int INT8。 //以下选择 ADC 转换速率，只能选择其中一种 // SPEED1 SPEED0 A/D转换所需时间 #define AD_SPEED 0x60 // 0110,0000 1 1 70 个时钟周期转换一次, // CPU工作频率21MHz时 A/D转换速度约 300KHz //#define AD_SPEED 0x40 //0100,0000 1 0 140 个时钟周期转换一次//#define AD_SPEED 0x20 //0010,0000 0 1 280 个时钟周期转换一次//#define AD_SPEED 0x00 //0000,0000 0 0 420 个时钟周期转换一次//#define uchar unsigned char //#define uint unsigned int #define P2M0 0x00 #define P2M1 0x00 #define P0M0 0x00 #define P0M1 0x00 sbit caiji=P2^2。sbit led0=P2^0。sbit led1=P2^1。 INT8 flag_uart=0,flag_on=0,flag_x=0,flag_xianshi=0,flag_ad=0,n1=0。 INT8 ad_vall=0,ad_val=0，moto_speed=0,shudu=0,shisu=0。 INT8U rec,cont=0,cont2=0。 //串口、计数器变量 float ad_fl,a1=0,a2=0,b1=0,b2=0。 INT8U get_AD_result(INT8U channel>。 //AD转换函数声明 void delay0(INT8U delay_time>。 //延时函数声明 void delay(char xms>； void delay0(INT8U delay_time>； // 延时函数 void timer_init(> //定时器计数器初始化函数 { TMOD=0x21。 TH0=(65536-50000>/256。 TL0=(65536-50000>%256。 TH1=0xfd。 TL1=0xfd。TR1=1。 ET0=1。 SM0=0。 SM1=1。 REN=1。 EA=1。ES=1。} void ad_init(> // 单片机AD 初始化函数 电动摩托车控制器中的电机PWM调速 摘要：随着“低碳”社会理念的深入，新型的电动摩托车发展迅速，逐渐成为人们主要的代步工具之一，由于直流无刷电机的种种优点，在电动摩托车中也得到了广泛应用，因此，本文控制部分主要介绍一种基于STM32F103芯片的新型直流无刷电机调速控制系统，这里主要通过PWM技术来进行电机的调速控制，且运行稳定，安全可靠，成本低，具有深远的意义。 1.总体设计概述 1.1 直流无刷电机及工作原理 直流无刷电机（简称BLDCM），由于利用电子换向取代了传统的机械电刷和换向器，使得其电磁性能可靠，结构简单，易于维护，既保持了直流电机的优点又避免了直流电机因电刷而引起的缺陷，因此，被广泛应用。另外，由于直流无刷电机专用控制芯片价格昂贵，本文介绍了一种基于STM32的新型直流无刷电机控制系统，既可降低直流无刷电机的应用成本，又弥补了专用处理器功能单一的缺点，具有重要的现实意义和发展前景。 工作原理：直流无刷电机是同步电机的一种，其转子为永磁体，而定子则为三个按照星形连接方式连接起来的线圈，根据同步电机的原理，如果电子线圈产生一个旋转的磁场，则永磁体的转子也会随着这个磁场转动因此，驱动直流无刷电机的根本是产生旋转的磁场，而这个旋转的磁场可以通过调整A、B、C三相的电流来实现，其需要的电流如图1所示 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。 直流电机转速的PWM控制测速 王鹏辉 姬玉燕 摘要 本设计采用PWM的控制原理来完成对直流电机的正转、反转以及其加速、减速过程的控制，在此过程中是通过单片机的定时器加上中断的方式产生不同时长的高低电压脉冲信号来完成。并通过霍尔传感器对直流电机的转速进行测定，最后将实时测定的转速数值1602液晶屏上。 关键词： PWM控制直流电机霍尔传感器 1602液晶显示屏 L298驱动 一、设计目的： 了解直流电机工作原理，掌握用单片机来控制直流电机系统的硬件设计方法，熟悉直流电机驱动程序的设计与调试，能够熟练应用PWM方法来控制直流电机的正反转和加减速，提高单片机应用系统设计和调试水平。 1.1系统方案提出和论证 转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。 1.2 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构 原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。 传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图 方案霍尔转速传感器的接线图 缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 1.3方案二：光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.2所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱 基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计 第一章:前言 1.1前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。 采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 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 设计的主要内容以及技术参数: 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； 第二章：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。 毕业论文 基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 所在学院 专业名称 年级 学生姓名、学号 指导教师姓名、职称 完成日期 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。 关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机 I 目录 目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.2 开发背景 (1) 1.1.3 选题意义 (2) 1.2 研究方法及调速原理 (2) 1.2.1 直流调速系统实现方式 (4) 1.2.2 控制程序的设计 (5) 2 系统硬件电路的设计 (6) 2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6) 2.2 STC89C51单片机简介 (6) 2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6) 2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (7) 2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (8) 2.2.4 STC89C51引脚功能 (8) 3 PWM信号发生电路设计 (11) 3.1 PWM的基本原理 (11) 3.2 系统的硬件电路设计与分析 (11) 3.3 H桥的驱动电路设计方案 (12) 5 主电路设计 (14) 5.1 单片机最小系统 (14) 5.2 液晶电路 (14) 5.2.1 LCD 1602功能介绍 (15) 5.2.2 LCD 1602性能参数 (16) 5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (18) 5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (19) 5.3 按键电路 (20) 5.4 霍尔元件电路 (21) III 《电子技术》课程设计报告课题：直流电机PWM调速电路 班级电气1107 学号 1101205712学生姓名王海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 淮阴工学院 电子与电气工程学院 2012年05月 直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。 改变占空比的方法有 3 种： （1）定宽调频法，这种方法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样周期 T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使周期 T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种方法是使周期 T（或频率）不变，而同时改变 t2 和 t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种方法都改变了周期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为 Vmax，设占空比 D＝ t1 /T ，则电机的平均速度为 Vd，平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线如图 1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。 直流电动机的PWM调压调速原理 直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，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，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。 （1）定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （2）调频调宽法 这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （3）定频调宽法 这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统 双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 另一种称为H型。 H型双极性驱动 一、显示接口模块 方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。 基于PWM控制的直流电机调速摘要：直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构，工作原理，运行特性及其设计方法，主要研究直流电机的控制和测量方法。本设计系统以单片机AT80C52为核心，实现直流电机调速的系统。 关键字：直流电机 PWM 控制 AT80C52 DC motor is a rotary motor that can convert a direct current into a mechanical energy (a DC motor) or a mechanical energy into a direct current (DC generator). It is capable of achieving the conversion of DC electric energy and mechanical energy to each other. When the motor is running, it is a direct current motor, the electric energy can be converted into mechanical energy; the generator is a direct current generator, the mechanical energy can be converted to electric energy. The structure of the DC motor is composed of two parts, the stator and the rotor. Operation of the DC motor are still part of the said stator, stator's main function is produces a magnetic field, is composed of a frame, a main pole, Huan Xiangji, an end cover, a bearing and an electric brush device and composition. Said operation, the rotating part of the rotor, the main role is electromagnetic torque and induction electromotive force generated, the DC motor is the hub of energy conversion, so is often referred to as the armature and is composed of a shaft, the armature core, an armature wining and commutator and fan. 《电子技术》课程设计报告 课题：直流电机PWM调速电路 班级电气工程1101学号1101205304 学生姓名xxx 专业电气信息类 系别电子与电气工程学院 指导老师电子技术课程设计指导小组 xxxxx 电子与电气工程学院 2012年5月 一、设计目的 a)培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。 c)进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。 d)培养学生的创新能力。 二、设计任务与要求 1．设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向驱动； 2．设计PWM驱动信号发生电路； 3．设计电机转速显示电路； 4. 设计电机转速调节电路；可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试； 6.撰写设计报告。 三、设计思想及设计原理 1．信号可以采用数字方法给定，也可以采用电位器给定。建议采用数字方法。 2．PWM信号可以采用三角波发生器和比较器产生，也可采用数字电路及可编程器件产生。建议采用数字方法。 3．正反转主回路可以采用双极型器件实现，也可以用MOS器件实现； 4．转速测量电路可以采用增量型光电编码器，也可采用自行制作的光电编码电路、霍尔传感器以及其它近似测速方法。建议采用光电编码器。 5．显用数字方法显示电机转速。采用光电编码等方法的脉冲测速方法时，可采用计数法测量电机转速；电机转速信号为模拟信号时，可采用数字表头显示转速。建议采用数字方法。 6．(提高部分)可以采用反馈控制技术对系统进一步完善。 四、单元电路设计 4.1 LM324组成的PWM直流电机产生电路 4.1.1 它主要由U1（LM324）和Q1组成 图4.1中，由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。U1c产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。这个电压与U1d的输出端(14脚)的三角形波电压进行比较。当该波形电压高于U1b的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。由此我们可知，改变U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制(PWM)。电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。 图4.1中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管(电流放大)，来驱动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制Q1的通断。LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。 当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压(12V或24V)下。当通过Q1的电流不超过1A时，Q1可不用散热器。但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N §1.1 直流电机调速原理 §1.1.1 直流电机电压调速原理 图1.2为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。由图可见电机的电枢电动势Ea 的正方向与电枢电流Ia 的方向相反，为反电动势；电磁转矩T 的正方向与转速n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n 相反，是制动转矩。 根据基尔霍夫第二定律，对图中的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式： U=Ea-Ia （Ra+Rc ） （1.4） 式1.4中，Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻。 由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce Φ （1.5） 由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce （1.6） 由式子1.6可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V 时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现 错误！未找到引用源。。 说明: U ………………> 电压 Ea ……… >电枢电动势 n …………………>转速 I ………………>电枢电流 r a ……… >电枢回路电阻 Rc ……… >外在电枢电阻 T1，T2………>负载转矩 T0………… > 空载转矩 Φ………………> 磁通量 图1-3 PWM 调速原理 §1.1.2 直流电机PWM 调速原理 所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。 对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图1-3所示。 在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax?D （1.7）式中，Vd——电机的平均速度 Vmax——电机全通时的速度（最大） D=t1/T——占空比 平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图1.4所示。 图1-4 平均速度和占空比的关系 由图1-4可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。 由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。 #include EN1=1; EN2=1; pro_right=70; pro_left=70; M1=0; M2=1; M3=0; M4=1; } void turnleft() { EN1=1; EN2=1; pro_right=20; pro_left=99; M1=0; M2=1; M3=1; M4=0; } void turnright() { EN1=1; EN2=1; pro_right=99; pro_left=20; M1=1; M2=0; M3=0; M4=1; } void init() { TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1; 《电子技术》课程设计报告 班级电气1107 学号1101205712学生海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 工学院 电子与电气工程学院 2012年05月 直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。 改变占空比的法有3 种： （1）定宽调频法，这种法是保持t1 不变，只改变t2 ，这样期T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持t1 不变，而改变t2 ，这样也使期T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种法是使期T（或频率）不变，而同时改变t2 和t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种法都改变了期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为Vmax，设占空比D＝t1 /T ，则电机的平均速度为Vd，平均速度Vd 与占空比D 的函数曲线如图1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。 实验报告 直流电机PWM调速实验 一、实验目的: 1、掌握脉宽调制的方法； 2、用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制 二、实验设备： PC机一台，单片机最小系统，驱动板，直流电机，连接导线等 三、实验原理： 1、PWM(Pulse Width Modulation)简称脉宽调制。即，通 过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。 2、实验线路图： 四、实验内容： 1、利用实验时提供的单片机应用系统及直流电机驱动电路板，编制控 制程序，实现直流电机PWM调速控制。 2、连接实验电路，观察PWM调控速度控制，实现的加速、减速等调速 控制。 五、实验步骤： 1、按系统电路图连线，调试完成； 2、开启单片机，按下键盘启动按钮，电机正常旋转； 3、按动键盘加速、减速、正转、反转、停止按键，分别实现预定功能。 4、实验完成，收拾实验器械，整理。 六、实验程序： #include 课程名称：微机原理课程设计 题目：基于51单片机的PWM直流电机调速 直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-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，后来由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51单片机却没有PWM 输出功能，采用定时器配合软件的方法可以实现51单片机PWM的输出功能。本设计就是由单片机STC89C52RC芯片，直流电机（搭建H桥电路驱动）和1602液晶为核心，辅以必要的电路，构成了一个基于51单片机PWM可调速的直流电机。该可调直流电机具有良好的起动、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。该可调直流电机布置合理，全部器件分布在7*9cm洞洞板上，看起来小巧精简。采用的是单片机内部定时器产生方波并且两个P口交换输出，可以方便灵活地调速度和方向。该可调直流电机从0到最大速度1200转每分钟一共设置了60个档次的转速，采用1602蓝光液晶，可以直观地显示出来（显示的是每分钟的转速）。有红光和绿光的两个二极管作为转速指示灯。四个控制按键就可以控制电机的转速，方向与暂停。每按一个键，该可调电机就会实现相对应的功能，操作非常简单。 关键词：直流电机，51单片机，C语言，1602液晶 一、设计任务与要求 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 设计要求 (4) 二、方案总体设计 (5) 2.1 方案一 (5) 2.2 方案二 (5) 2.3 系统采用方案 (5) 三、硬件设计 (7) 3.1 单片机最小系统 (7) 3.2 液晶显示模块 (7) 3.3 系统电源 (8) 3.4驱动电路 (8) 3.5 整体电路 (9) 四、软件设计 (10) 4.1 keil软件介绍 (10) 4.2 系统程序流程 (10) 五、仿真与实现 (13) 5.1 proteus软件介绍 (13) 5.2 仿真过程 (13) 5.3 实物制作与调试 (15) 5.4 使用说明 (16) 六、总结 (17) 6.1 设计总结 (17) 6.2 经验总结 (17) 七、参考文献 (19) 直流电机调速的PWM实现方法 PWM在控制中使用非常广泛，可以以数字量对模拟电路进行控制。这里对PWM的原理进行讲述，并举例说明PWM的重要应用。 1、PWM简介 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 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。通俗的说PWM是采用数字量对模拟量进行合成的方法。 数字量是怎么样对模拟量进行合成的呢？请看下例： 用PWM波代替正弦冲半波： 上图中用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这两种波作用于电路时，所产生的效果基本相同。 2、PWM的应用 基于面积相等的原理实际上可以对任意波形进行合成，再如下图： 上图中用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这两种波作用于电路时，所产生的效果基本相同。 3、PWM的应用 基于面积相等的原理实际上可以对任意波形进行合成，再如下图： ******************************************************************** #define V_TH0 0XFF #define V_TL0 0XF6 #define V_TMOD 0X01 void init_sys(void); /*系统初始化函数*/ void Delay5Ms(void); 基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 I 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。 关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机 II 目录 目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.2 开发背景 (1) 1.1.3 选题意义 (2) 1.2 研究方法及调速原理 (2) 1.2.1 直流调速系统实现方式 (4) 1.2.2 控制程序的设计 (5) 2 系统硬件电路的设计 (6) 2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6) 2.2 STC89C51单片机简介 (6) 2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6) 2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (6) 2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (7) 2.2.4 STC89C51引脚功能 (7) 3 PWM信号发生电路设计 (10) 3.1 PWM的基本原理 (10) 3.2 系统的硬件电路设计与分析 (10) 3.3 H桥的驱动电路设计方案 (11) 5 主电路设计 (13) 5.1 单片机最小系统 (13) 5.2 液晶电路 (13) 5.2.1 LCD 1602功能介绍 (14) 5.2.2 LCD 1602性能参数 (15) 5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (17) 5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (18) 5.3 按键电路 (19) 5.4 霍尔元件电路 (20) III 直流电机PWM调速控制系统 摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建 立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]： (1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。 前言 上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。与此同时，脉冲宽度调制（PWM）技术与开关功率电路成为功率应用中的主流技术；长期以来，直流电机以其良好的线性特性，优异的控制性能、低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最佳选择。因此，基于PWM（Pulse Width Modulation）的直流电机调速技术在现代电气传动系统中被广泛运用。 电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。而驱动电路则是调速电路的重要组成部分，其处在主电路和控制电路之间，将控制电路的信号进行放大。保护电路以及检测电路是对电机速度精确控制的前提，本次课程设计是对直流电机调速驱动电路进行设计，下面是驱动电路设计的具体过程。 一、设计目的： 1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生 课程设计 设计题目：基于51系列单片机的直流电机PWM 调速系统设计 学院：机电工程学院 专业：机械工程及自动化 班级：机自07级01班 姓名：强艳梅 学号： 指导老师：敏 完成时间：2011年1月11日 目录 1 直流电动机调速概述 (4) 1.1直流电机调速原理 (4) 1.2直流调速系统实现方式 (5) 1.3 89C51单片机 (6) 2 硬件电路设计 (6) 2.1 PWM波形的程序实现 (6) 2.2直流电动机驱动 (7) 2.3续流电路设计 (8) 3 软件设计 (8) 3.1主程序设计 (8) 3.2 数码显数设计 (10) 3.3 功能程序设计 (11) 3.4仿真图 (15) 3.5 仿真结果分析 (16) 心得体会 (17) 参考文献 (18) 1 直流电动机调速概述 1.1直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以 —励磁绕组本身的电阻；下公式：n=U/C cφ-TR/C r C cφ其中：U—电压；R 内 φ—每极磁通(Wb)；C c—电势常数；C r—转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 图1-1 直流电机的工作原理图 电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动 直流电机PWM调速系统的设计与仿真 一、引言 1本课题设计的目的和要求 1. 直流电机PWM调速系统的目的： （1）熟悉直流电机PWM调速系统的整体运行过程和总体布局 （2）掌握该硬件电路的设计方法 （3）掌握电机PWM调速系统程序的设计和调试 2. 直流电机PWM调速系统的要求 （1）可输入0~1范围的占空比，占空比可用电位器输入、拨码开关输入或键盘输入。 （2）设计电机驱动电路，根据输入的占空比控制电机转速。 （3）检测电机转速，并用LED或LCD显示。 （4）在PROTUES下仿真。 二、系统总体框图与原理说明 2.1 总体方案原理及设计框图 本设计是基于AT89c51为核心的直流调速器，由单片机控制和产生适合要求的PWM信号，该PWM信号通过驱动芯片电路进行直流调速，使输出电压平均值和功率可以按照PWM信号的占空比而变化，从而达到对直流电机调速的目的。拨码开关输入0~1范围的占空比，用LCD1602作为主液晶显示器，显示输入的占空比控制电机转速，能够实现较好的人机交互。 总体方案设计框图 三、硬件电路图 拨码开关输入模块 AT89c51单片机 LCD1602显示 电机驱动模块 直流电机 示波器显示 用压控振荡器（可用555电路构成）来模拟直流电机的运行 3.1 PWM 产生方式 （1）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 可以应用在很多方面，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的电源，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。正因为如此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。PWM 波形如图所示： PWM 波形图 设电机始终接通电路时，电机转速最大为V max ，设占空比为： T t D 1 = 则电机的平均转速为 D V V a *max = 其中V a 指的是电机的平均速度，V max 是指电机在全通电时最大速度，D 指的是占空比。 由上面的公式可见，当改变占空比D 时，就可以得到不同电机平均速度V a ,从而达到调速的目的。 （2）单片机片内软件生成PWM 信号 PWM 信号采用单片机定时中断的方式软件模拟产生，这样实现比较容易，可以节 约硬件成本。 //===================定时器0初始化设置=================== //===================定时器0初始化设置=================== void Time0_Init() //定时器0初始化函数 { TMOD=0x01; //定时器0为工作方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; //初始化为定时时间为50ms基于STM32的直流电机PWM调速控制
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