基于单片机控制PWM输出直流电机调速系统设计

1、河南科技学院新科学院河南科技学院新科学院20132013 届本科毕业论文届本科毕业论文基于单片机控制基于单片机控制 PWMPWM 输出直流电机调速系统设计输出直流电机调速系统设计学生姓名：刘玉磊学生姓名：刘玉磊所在院系：电气工程系所在院系：电气工程系所学专业：电气工程及其自动化所学专业：电气工程及其自动化 导师姓名：王祥勇导师姓名：王祥勇 完成时间：完成时间：2013.4.1 单片机控制的单片机控制的 PWM 直流电机调速系统设计直流电机调速系统设计摘摘 要要直流电机是人类最早发明和应用的一种电机直流电机是人类最早发明和应用的一种电机。随着时代的发展，数字电子。随着时代的发展，数字电子技术已经

2、普及到我们生活、工作、科研各个领域。并且在各类机电系统中，由技术已经普及到我们生活、工作、科研各个领域。并且在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已广泛应用于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流电机调速系统已广泛应用于工业、航天领域的各个方面，最常用的直流技术是脉宽调制（于工业、航天领域的各个方面，最常用的直流技术是脉宽调制（PWM）直流调）直流调速技术，具有调速精度高，响应速度快，调速范围宽和损耗低的特点。而利用速技术，具有调速精度高，响应速度快，调速范围宽和损耗低的特点。而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段，数字控制系统硬件电路的标准

3、化计算机数字控制也成了直流调速的一种手段，数字控制系统硬件电路的标准化程度高，控制软件能够进行复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、程度高，控制软件能够进行复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。自适应、非线性、智能化等控制规律。本设计主要介绍了使用微控制器本设计主要介绍了使用微控制器 AT89S51 的直流电机调速系统。论文主要的直流电机调速系统。论文主要介绍了直流电机调速系统的意义、基于单片机控制的介绍了直流电机调速系统的意义、基于单片机控制的 PWM 直流电机调速方法直流电机调速方法和和 PWM 基本工作原理以及实现方法，通过对占空比的计算

4、达到精确调速的目基本工作原理以及实现方法，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。主电路主要采用四个小键盘控制的。主电路主要采用四个小键盘控制 AT89S51 单片机，将数据传输给单片机并单片机，将数据传输给单片机并产生脉宽调制信号，然后通过电机驱动芯片产生脉宽调制信号，然后通过电机驱动芯片 L298 对小型直流电机进行控制。对小型直流电机进行控制。本设计还附加了由霍尔开关本设计还附加了由霍尔开关 CS3020、AT89S51 单片机、单片机、74LS47 七段数码管译七段数码管译码芯片和四位码芯片和四位 LED 构成转速检测显示电路。通过按键的调试可以实现控制直流构成转速检测显示电路。通过按键

5、的调试可以实现控制直流电机启动、停止、方向和速度。设计的整个系统，采用了大量的集成电路模块，电机启动、停止、方向和速度。设计的整个系统，采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的可靠性和稳定性。大大简化了硬件电路，提高了系统的可靠性和稳定性。最后在软件方面，介绍了主程序、键盘扫描子程序、最后在软件方面，介绍了主程序、键盘扫描子程序、PWM 信号发生程序、信号发生程序、测速子程序和显示子程序的编写思路以及具体的程序实现。测速子程序和显示子程序的编写思路以及具体的程序实现。关键词关键词: 单片机单片机 AT89S51；直流电机；脉宽调制；转速检测；直流电机；脉宽调制；转速检测The

6、 Design of PWM Controlled DC Motor Speed Control System Based On Single ChipAbstractThe DC motor is a kind of motors which was the first invented and applied by human. In all kinds of mechanical of speed, due to the DC motor has a good start, brake and the performance of speed, DC motor control syst

7、em has been widely used in industry, space flight, most commonly used DC speed control technology is a pulse width modulation (PWM) DC speed control technology, which has a high precision, fast response time, high speed range and width of the low loss. The use of computer digital control has become

8、a kind of method of DC speed control system, the hardware circuit of a high degree of standardization, control software to carry out complex operation can be realized, different from the general linear optimization and adjustment of the adaptive, nonlinear, intelligent control low. A speed governing

9、 system of DC motor by using AT89S51 microcontroller is mainly introduced in my design. This paper introduces the significance of a speed governing system of DC motor, a kind of method of DC motor speed modification, based on PWM theory by the SCM. The design of the whole system has been used the ma

10、ssive integrated circuit module, which can be used to simplify the hardware electric circuit greatly, improve the system reliability, stability.Finally in the software, the main routine, keyboard scan subroutine, PWM signal producing subroutine, velocity measurement subroutine and the demonstration

11、subroutine compilation as well as the specific program are introduced. Keywords: SCM AT89S51; DC motor; PWM; Measurement of rotating speed目目 录录1 绪论.11.1 课题研究的背景.11.2 课题研究的目的及意义.11.3 国内外电机控制的研究现状及发展.21.4 PWM 变频调速发展前景.31.4.1 异步电动机的调速方法.41.4.2 同步电动机的调速方法.41.5 课题研究内容及目标.51.6 本章小结.62 直流电机调速系统设计.62.1 系统总体

12、方案设计.62.1.1 设计思路.62.1.2 总体方案比较与选择.62.1.3 电机调速控制模块方案比较与选择.72.2 基本原理分析.82.2.1 直流电机的调速原理.82.2.2 直流电机 PWM 调速原理 .92.2.3 霍尔效应和原理简介.102.3 系统各模块方案的比较与选择.102.3.1 键盘的选择.112.3.2 显示方式的选择.122.3.3 电机驱动芯片的选择.132.3.4 测速传感器的选择.142.4 系统硬件组成.152.5 本章小结.153 硬件系统设计.163.1 AT89S51 单片机特性及管脚说明.163.2 直流电源部分.183.3 PWM 波形发生原理.

13、193.4 电机驱动电路.193.5 键盘部分.213.6 LED 显示部分.223.7 测速部分.233.8 复位电路和时钟电路.243.9 整体电路设计.253.10 本章小结.264 软件系统的论述.264.1 主程序.264.2 键盘扫描子程序.274.3 PWM 信号发生程序.284.4 测速子程序.294.5 显示子程序.314.6 本章小结.325 结论.32参 考 文 献.33致 谢.34附录 硬件电路原理图.35附录 PCB 版图及 PCB 预览图.36附录 程序清单.3711 绪论绪论1.1 课题研究的背景课题研究的背景直流电机是最常见的一种电机，它已经广泛应用于交通、机械

14、、化工、航空等领域中。早期的直流电机控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器，非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件复杂，功能单一，而且系统非常不灵活，调试困难，阻碍了直流电机控制技术的发展和应用范围的推广。PWM 控制技术是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压目的，或控制电压脉冲的周期和宽度以达到变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的 PWM 控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，单片机成为了直流电机调速不可或缺的部分之一。单片机具有体积小、重量轻、功

15、能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，而被广泛应用于直流电机调速系统。在实际应用中，电机是把电能转化为机械能的主要设备，因此要求其具有较好的能量转换效率和能够根据生产工艺的要求调整转速。电机调速性能对提高产品质量，提高劳动生产率和节省电能有着决定性的影响。所以，电机调速一直是研究的热点。1.2 课题研究的目的及意义课题研究的目的及意义直流电机具有良好的启动性能和调速特性，虽然各种类型的电机层出不穷，然而在自动控制系统、电子仪器设备等方面，直流电机的应用还是占有突出地位。直流电机调速平滑，调速范围广，过载能力强，抗冲击负载能力强，可实现频繁的无极快速起动、制动、加/减速和正/反

16、转。为了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，通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法就应运而生。PWM 直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽、控制方式多样化、能与数字速度给定信号直接接口等优点，在工厂企业得到广泛的应用，有利于国家工业化的发展。通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我们今后的工作有十分重要的意义。本课题是以单片机为主要控制核心，针对直流电机的调速系统进行设计，2通过本次毕业设计培养我们综合运用所学的知识

17、和技能解决问题的本领，巩固和加深对所学知识的理解；培养我们调查研究的习惯和工作能力。1.3 国内外电机控制的研究现状及发展国内外电机控制的研究现状及发展常用的控制直流电机调速有以下几种方法：（1）最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电机电枢供电，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、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。（2）30 年代末，出现了发电机电动机（也称为旋转变流组） ，配合采用电磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围、较小的转速变化率和调速平滑等优点，特别是当电

18、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馈给电网，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助励磁设备，因而体积大，维修困难等。（3）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，是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拟的。但是汞弧变流器仍存在一些缺点：维修还是不太方便，特别是水银蒸气对维护人员会造成一定的危害等。（4）1957 年世界上出现了第一只晶闸管，与其他变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管

19、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、维修简单等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流器装置的放大倍数在 10000 以上，比机组（放大倍数 10）高 1000 倍，比汞弧变流器（放大倍数 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以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，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使

20、直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，3直流电动机控制装置也不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K6RA24、ABB 公司的 PAD/PSD 等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和航宇方面

21、的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。数字直流调速装置，从技术上它能成功地做到从给定信号、调节参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版

22、本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和 PLC 等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简单、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调试精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典 ABB 公司、德国的西门子公司、AEG 公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的 GE 公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从

23、 20 世纪 60 年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿 PID 控制，PID 算法优化。随着 PWM 技术的发展，我国直流电机调速也正向着脉宽调制方向发展。目前我国大部分数字化控制直流调速装置还是依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间，所以国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。1.4 PWM 变频调速发展前景变频调速发展前景4PWM 变频调速作为一项新的调速技术，

24、在西方发达国家已得到广泛应用。目前，不论在同步电机调速方面，还是异步电机调速方面，PWM 变频调速是众多交流调速方式的佼佼者。本节主要通过 PWM 变频调速技术与其他传统调速技术的优缺点对比，进而介绍变频调速技术的特性。1.4.1 异步电动机的调速方法（1） 变极调速变极调速即改变异步电机的极对数 p 来达到调速的目的。要改变 p，必须将定子绕组制为可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。变极调速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速，又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，因而只适用于不需平滑调速的场合。（2） 变转差调速异步电动

25、机的转速公式为)1 (60)1 (1sPNfsnn （1-1）由式（1-1）可以看出，调节转差率 s，可改变电动机转速 n。根据电机学原理，异步电动机的电磁功率可分为两部分：一部分构成机械功率，另MPmecP一部分则为转差功率。其中，。SPMmecPsP)1 ( MSsPP 变频、变极都是改变同步转速以达到调速的目的，无论转速高低，转差功率仅由转子绕组铜损耗构成，基本不变，所以从能量转换角度来看，又称转速功率不变型，其效率最高。变转差率则是转差功率与转差率成正比改变，根据转差功率是否全部消耗掉，分为转差功率消耗型和转差功率回馈型两类。转差功率消耗型有绕线转子串电阻调速，定子电压调速和电磁转差离

26、合器调速。因为全部转差功率都转换为热能消耗掉了，故效率最低。转差回馈型就是将转速功率大部分回馈给电网，所以效率介于消耗型和不变型之间。（3） 交-交变频调速交-交变频调速就是在该系统中每一相的正弦波都使用三相的电压波形，通过两组晶闸管变流电路，调制出近似正弦波的输出。从原理上分析，该电路的变频功能只能由基频向下变，即频率只能变低。因为中间环节少，所以它的效率高。1.4.2 同步电动机的调速方法同步电机的调频只有两种方式：调节定子和转子的极对数比例；变频。调极提速的平滑性不好而交-交变频调速的调速范围有限。1.4.3 PWM 变频调速5对于 PWM 变频调速，以上缺点均被一一克服。与交-交变频电

27、路的变频过程比较，似乎只多了一个直流的转换过程。而正是这个直流转换过程使 PWM变频电路更具灵活性。现代的变频器采用了通信技术领域中的脉宽调制技术，具体一点就是应用了采样控制理论中的一个重要理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。变频器就是应用这一理论，用一系列不等宽的脉冲代替一个正弦波，只要缩短这一系列脉冲的总宽度，就可达到调频的效果，而改变这一系列中各脉冲的宽度则可达到调压的目的（有效值等效，但峰值不等效） ，因此这一技术使恒磁通调速成为可能。在设计电机时，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处，因此，调速时希望保持每极磁通为额定值，即。因

28、为磁通增加，将引起铁芯过mmNm分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因素降低；而磁通减少，将使电动机输出转矩下降，如果负载转矩仍维持不变，势必导致定子、转子过电流，也要产生过热，故希望保持磁通恒定。由上所知恒磁通调速，其实是要达到恒力矩输出的效果。而异步电动机定子每相感应电动势为 （1-2）mNKNfE111144. 4式中：定子绕组每相串联匝数； 1N 基波绕组系数；1NK 每极气隙磁通。m由式（1-2）可以知道，的值是由和共同决定的。对和进行适m1E1f1E1f当的控制，就可以使气隙磁通保持额定值不变。m总的来说 PWM 变频调速技术频调速灵活。调速的范围宽，在一定范围内可实现

29、恒力矩输出，是一种相当适合电梯使用的调速方式，而且其本身的技术也在不断的革新中。随着 PWM 技术的不断改进，它的应用的范围也将不断的扩展。1.5 课题研究内容及目标课题研究内容及目标根据直流电机调速的控制要求确定整体的设计方案，完成单片机控制的PWM 直流电机调速系统设计。该系统需能实现用软件产生 PWM 信号，并且通过单片机对 L298 的信号传输达到对电机的启动和停止，加速和减速，正传和反转的控制；直流电机的转速在 LED 显示器上正确实时显示。该系统主要由输入设备、单片机、显示器、电机驱动模块和测速元件等部分组成。主要内容具体6描述如下：（1）输入设备的选择：与矩阵键盘相比独立键盘结构

30、简单，所以本设计采用独立键盘给单片机输入信号；（2）单片机的选型：MCS-51 系列单片机有多种型号，其中 AT89S51 不仅兼容 8051，还具有 ISP 编程和看门狗功能，这里选用单片机 AT89S51 作为控制核心；（3）显示部分的设计：LED 是单片机应用系统中最常用的输出器件，用LED 实现对 PWM 脉宽调制占空比的实时显示；（4）电机驱动模块的设计：利用 H 桥式驱动电路可实现电机的正转，反转，制动的功能，作为集成有桥式电路的电机专用芯片 L298 在应用领域被广泛使用，而且其性能比较稳定可靠，所以用 L298 作为电机的驱动芯片。（5）测速元件的选用：测速元件有很多，本设计选

31、用霍尔元件测速，在电机中安装霍尔开关传感器，把速度传送给单片机。1.6 本章小结本章小结本章节主要分析了直流电机调速系统研究的背景和研究的目的及意义；并且介绍了直流电机控制的国内外研究现状及发展情况；PWM 变频调速的发展前景；以及本课题主要研究内容及预期目标做了简要说明。2 直流电机调速系统设计直流电机调速系统设计2.1 系统总体方案设计系统总体方案设计2.1.1 设计思路单片机控制的 PWM 直流电机调速系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速和正转、反转以及启动、停止的控制，能够很方便地实现电机智能控制。系统的主体电路是直流电机 PWM 控制模块。这部分电路主要由 AT89S51单

32、片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等来控制直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转，并且可以调整电机的转速，可以方便地实现直流电机的智能控制。该系统是通过 AT89S51 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的工作。该单片机控制的 PWM 直流电机调速系统主要是由以下几个电路模块组成：输入模块：这一部分主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和启动、停止控制。控制模块：主要由 AT89S51 单片机的外部扩展电路组成。直流电机 PWM7控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 驱动芯片组成。测速显示模块：通

33、过霍尔传感器 CS3020 和 LED 数码显示，实现对直流电机转速的实时显示。2.1.2 总体方案比较与选择方案一：直接加直流电源来控制电机的转动速度：根据电机在其额定电压时，电机有一定的额定转速。那么如果其输入电压减小，其转动速度也相应地减小。在传统的改变电机的转速中，就是利用所给电机的电压的不同，从而达到人们所需的转速。方案二：以单片机 AT89S51 为中心，通过 D/A 转换器，将单片机数字量转换为模拟量，从而起到控制电机的转速问题。其中在单片机控制部分通过按键直接从程序中调出所需的速度值，同时输到数码显示部分和 D/A 转换部分以实现电机的调速。电路组成框图如图 2-1 所示：图图

34、 2-1 电路组成框图电路组成框图方案三：采用 AT89S51 单片机进行控制。本设计需要使用的软件资源比较简单，只需完成霍尔元件采样部分、键盘控制部分以及显示输出功能。采用AT89S51 进行控制比较简单、易控制、可靠性高、抗干扰能力强、精度高且体积大大减小。输出速度由单片机传送给 LED 进行实时显示。AT89S51 是ATMEL 在 2003 年推出的新型单片机品种。AT89S51 是一个低功耗，高性能CMOS 8 位微控制器，片内含 4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公

35、司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，所以 ATMEL 的 AT89S51 是一种高效微控制器。方案分析：方案一只能以减小所给电压值而能使电机的转速有相应地减小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及时地从电机那里得到相应的转动速度，显示器键盘AT89S51单片机D/A 转换器电机8而是直接从程序那儿调用相应的数值给数码管显示。所以，此处的电路在速度的显示上失去了其真实性。方案三在可操作性与实时性方面都结合了本设计的特点，从控制理论与控制技术出发，充分发挥与应用所学知识的特点

36、。所以，本设计采用方案三。2.1.3 电机调速控制模块方案比较与选择方案一：采用电阻网路或数字电位器调整电机分压，从而达到调速的目的。但是电阻网路只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵，更主要的问题是一般电机的电阻很少，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现困难。方案二：采用继电器对电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易坏、寿命短、可靠性不高。方案三：采用由复合三极管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制复合三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止

37、模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。2.2 基本原理分析基本原理分析2.2.1 直流电机的调速原理直流电机结构多样，但不论什么样的直流电机都由定子和转子。其中定子由主磁极、换向磁极、机座等几部分组成；转子主要由：电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。常见直流电机外形和内部结构如图 2-2 所示。直流电机按励磁方式的不同可分为：他励、并励、串励和复励电机四种。不同励磁方式，直流电机的机械特性曲线也不同。对于直流电机来说人为

38、机械特性方程式为： nnTCCRCUnTEaEa02 （2-1）式中：是电动机的理想空载转速，其值为；是转速差；0nEaCUn 0n是电枢供电电压（V） ；是电枢回路总电阻（） ；是励磁磁通（Wb） ；aUaR9是电势系数；转矩系数。ECTC由式（2-1）可以看出，改变电枢电阻、电枢电压和励磁磁通中的aRaU任何一个都可以使转速发生变化，所以直流电机调速方法有以上三种：改变n电枢电阻、改变电枢电压和改变励磁磁通。但是利用改变电枢电压调速aRaU可以实现平滑的无级调速，且调速稳定，调速范围大等优点。故本设计采用改变电枢电压来进行调速。图图 2-2 直流电机外形和结构示意图直流电机外形和结构示意图

39、2.2.2 直流电机 PWM 调速原理PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。下面简述一下 PWM 调速系统的工作原理。图 2-3 给出 PWM 调速系统的工作原理电路及其输出波形。（a） （b）图图 2-3 PWM 调速系统的工作原理电路及其波形调速系统的工作原理电路及其波形10假设 V1 先导通 T1 秒，然后又关断 T2 秒，如此反复进行，可得到图 2-3（b）的波形图，可以得到电机电枢端的平均电压。如果，daUTTU1TT1可定义为占空比。假定输入电压

40、不变，越大，则电机电压就越大，dUaU反之也成立。所以改变就可以达到调压的目的。改变有三种方法：第一种就是 T1 保持不变，使 T2 在 0 到之间变化，这叫定宽调频法；第二种就是 T2 不变，使 T1 在 0 到之间变化，这叫调宽调频法；第三种就是 T 保持一定，使 T1 在 0 到 T 间变化，这叫定频调宽法。本设计采用的是定频调宽法，电动机在运转时比较稳定，并且在产生 PWM 脉冲实现上更方便。2.2.3 霍尔效应和原理简介本设计采用的霍尔传感器 CS3020 进行测速的，所以本节主要介绍一下霍尔效应及其原理。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，185

41、51938）于 1879 年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔效应原理图见图 2-4。图图 2-4 霍尔效应原理图霍尔效应原理图因为运动中的电荷收到磁场中洛伦磁力的作用而产生霍尔效应。霍尔电势见公式（2-2）：HUIBdRUHH （2-2）式（2-2）中：材料的霍尔常数（） ；HR13CM 控制电流（A） ；I11 磁感应强度（T） ；B 元件的厚度（m） ；d令：，则得到：，有此式可以看出霍尔电势的大小取dRKHHIBKUHH决于控制电流 I 和磁感应强度

42、 B，叫做霍尔灵敏度，与元件材料性质和几何HK尺寸有关。2.3 系统各模块方案的比较与选择系统各模块方案的比较与选择2.3.1 键盘的选择键盘是计算机不可缺少的输入设备之一，是实现人机对话的纽带，借助键盘可以向计算机系统输入程序、置数、送操作命令、控制程序的执行走向等。在本设计中，使用者可通过键盘对电机进行启动和制动、正转和反转、加速和减速控制。在电机调速控制系统中常用的有独立式键盘和矩阵键盘，本节主要针对键盘来进行介绍和选择。独立式键盘指直接用 I/O 接口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根 I/O 接口线，每根 I/O 接口线的工作状态不会影响其它 I/O 接口线的工作状态。

43、独立键盘如图 2-5 所示。独立式键盘按键电路配置灵活，软件结构简单，但是每个独立键盘都占用一个 I/O 接口，在按键数量较多时，浪费 I/O接口，所以其只适用在按键数量不多的系统中。 图图 2-5 独立键盘图独立键盘图矩阵式键盘将 I/O 接口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。行列式键盘中按键的数量可达行线数 n 乘以列线数 m，如 4 行、4 列行列式键盘的按键数可以达到4416 个。由此可以看到行列式键盘在按键较多时，可以节省 I/O 口线。一12个 44 列式键盘的电路原理图如图 2-6 所示。图图 2-6 4*4 矩阵式键盘矩

44、阵式键盘8 条 I/O 口线分为 4 条行线和 4 条列线，按键设置在行线和列线交点上，即按键开关的两端分别接在行线和列线上。行线通过一个上拉电阻接到+5V 电源上，在没有键按下时，行线处于高电平状态（若 I/O 口内部有上拉电阻则无需再加上拉电阻） 。若向所有的列线 I/O 口输出低电平，然后将行线的电平状态读入累加器 A 中，若无键按下，行线仍保持高电平状态，若有键按下，行线至少应有一条为低电平。本设计只需用到四个按键，独立式键盘不至于造成键盘浪费，所以采用独立式键盘。2.3.2 显示方式的选择LED 显示器是单片机应用系统中最常用的输出器件。它是由若干个发光二极管组成的，当发光二极管导通

45、时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。LED 基本分为两种：七段和米段，本设计中使用的是七段 LED 数码管。这种显示器有共阴极和共阳极之分。共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。同理。共阳 LED 显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。如图 2-7 所示。LED 显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示接口因为每一位数码恒定显示一位数据，亮度较高，而且编程简单。但当位数较多时，芯片多，电路繁杂，成本也高，因此只适宜位数较少的显示器；动态 LED 显示接口由于各个数码管共用一个段码输出口，分时轮

46、流通电，从而简化了硬件电路，降低了成本。相比较而言，动态显示更节省硬件资源和 I/O 口，故经考虑选用动态显示方式。13图图 2-7 LED 的共阳极、共阴极接法的共阳极、共阴极接法2.3.3 电机驱动芯片的选择本设计核心部分就是对小型直流电动机进行可逆的 PWM 调速控制。要实现以上的功能，应用比较广泛的是由四个开关管构成的 H 型桥式驱动电路。而在设计中可以使用集成有桥式电路的电机专用芯片，可以简化电路。目前常用的电机驱动芯片有 LMD18200、L298、ML33886、MC4428 等。不过在应用领域，L298 使用比较广泛，所以本设计采用 L298 作为电机的驱动芯片。L298 是

47、ST 公司生产的内部集成有两个桥式电路的电机驱动专用芯片，它的工作电压可高达 46V。输出电流也很大，瞬间峰值电流可达 3A，持续工作电流可达 2A。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准 TTL 逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端口，分别控制两个电机的启动和制动；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；它可以外接电阻，把变化量反馈给控制电路。此外，L298 的两个桥式电路还可以并联起来驱动一个直流电动机，直流电流可达到 4A。L298 的运行参数如表 2-1 所示： 表表 2-1 L298 运行参数运

48、行参数参数符号测试环境最小值典型值最大值单位驱动电源电压Vs持续工作时46V逻辑电源电压Vss2.557V输入低电平电压ViL4.51.5V输入高电平电压ViH-0.3VssV14使能端低电平电压Ven=L2.31.5V使能端高电平电压Ven=H-0.3VssVVcEIL=1A2.33.2V全桥式驱动器总的电压降（每一路）(sat)IL=2A1.84.9V检测电压 1,15 脚Vsen-12V2.3.4 测速传感器的选择本设计主要是采用霍尔元件作为测速传感器。CS3020 是 CS 系列的霍尔传感器常用的一种，它是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大电路，史密特触发器及集电极开路的输出级组成

49、磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出为电压。其外形图见图 2-8。CS3020 工作频率宽（100KHz） ，开关速度快，没瞬间抖动，电源电压范围宽，能直接和晶体管及 TTL、MOS 等逻辑电路接口，并且还有寿命长，体积小，方便安装等优点。常用于无触点开关、位置控制、转速测量、隔离检测、无刷电机等方面。CS3020 的电特性和磁特性分别见表 2-2 和表 2-3：图图 2-8 CS3020表表 2-2 CS3020 的电特性的电特性参数符号测试条件最小值典型值最大值单位电源电压Vcc4.524V输出高电平电流VohIOUT=20mA,BBOP0.110uA输出低电平电压VolVOUT=24V

50、,BBPR200400mV电源电流IccVcc=输出开路8mA输出上升时间trRL=8200.12uS15输出下降时间tfCL=20pF0.18uS表表 2-3 CS3020 的磁特性的磁特性参数符号最小值典型值最大值单位工作点BOP2235mT释放点BRP516.5mT回差Btrys2mT2.4 系统硬件组成系统硬件组成本设计的调速系统主要是由：单片机、驱动电路、直流电机、测速元件、接口电路、显示器、键盘等部分组成。硬件电路组成框图如图 2-9 所示： 图图 2-9 直流电机调速系统硬件直流电机调速系统硬件本设计由单片机 AT89S51 接受键盘的信号并通过计算占空比产生出对应的PWM 信号

51、输出和控制信号输出，其中一路信号控制 L298 的使能和方向，一路PWM 波形送 L298 控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信号传送到 AT89S51，AT89S51 进行定时计数，计算出直流电机每分钟的转速，并送 LED 显示。2.5 本章小结本章小结本章主要就是介绍了直流电机调速系统的方案比较与选择，应用了适合于AT89S51单片机直 流电 机霍尔测速元件独立键盘L298LED显示PWM 控制16该系统的总体设计方案和电机调速控制方案；本章节第 2 部分还介绍了直流电机调速原理，PWM 在直流电机调速系统中的应用以及霍尔效应；在硬件部分器件的选择方面也做了比较具体

52、的说明；在本章最后完成了直流电机调速系统的硬件组成框图设计。3 硬件系统设计硬件系统设计本章将基于上一章为基础对硬件系统各部分作进一步分析，并且对硬件各部分电路加以呈现和分析。本系统控制对象是 55LCX-1 永磁式直流力矩电动机，主要技术指标如表 3-1。针对要求分别对电源、PWM 波形产生部分、电机驱动部分、键盘输入部分及测速显示部分进行设计。表表 3-1 55LCX-1 主要技术指标主要技术指标 峰值堵转 连续堵转转矩 Nm电流 A电压 V转矩 Nm电流 A电压 V最大空载转速 r/min55LCX-10.424.2270.141.4920003.1 AT89S51 单片机特性及管脚说明

53、单片机特性及管脚说明上一章在系统总体方案设计中已经对微控制器 AT89S51 简单介绍了，本节将在上一章的基础上对微控制器作详细地阐述。1）ATMEL 公司的 AT89S51 芯片具有以下特性：指令集和芯片引脚与 Intel 公司的 8051 兼容； 4KB 片内在系统可编程 Flash 程序存储器； 时钟频率为 033MHz； 128 字节片内随机读写存储器（RAM） ； 32 个可编程 I/O 引脚； 2 个 16 位定时/计数器； 6 个中断源，2 级优先级； 全双工串行通信接口； 监视定时器；低功耗的闲置和掉电模式。17 图图 3-1 AT89S51 引脚图引脚图2）AT89SS51

54、引脚功能介绍，AT89S51 引脚如图 3-1 所示：Vcc：AT89S51 电源正端输入，接+5V；Vss：电源接地端；XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端；XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端；RST/VPD：RST 是复位信号，高电平有效，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。RST 的第二功能是备用电源 VPD 的输入端。：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端（enable VppEA/address/voltage pulse of programming） 。当端保持高电平时，单片机复位后访EA问片内存储器 ROM。当程序计数器 PC 的值超过

55、 4KB 时，将自动转去执行片外存储器 ROM 内的程序。当端接地保持低电平时，则只访问片外程序存储EA器，而不管内部是否有程序存储器。：地址锁存允许信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许PROGALE /(address latch enable)信号的输出用于锁存低 8 位地址的控制信号，此信号ALE频率为振荡器的 1/6。当不访问片外存储器时，信号可用作对外输出时钟ALE或定时信号。端可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。ALE：程序存储器允许输出信号端（program store enable） 。此端定时输PSEN出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。AT89S51 可以利用及引脚

56、PSENRD分别启用存在外部的 RAM 与 EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用 64K 的定址范围。端同样可驱动 8 个 LS 型 TTL 负载。PSEN18P0 口：P0.0P0.7。P0 口第一功能是作为通用的 I/O 口，CPU 在传送输入/输出数据时，输出数据可以锁存，输入数据可以缓存；P0 口第二功能是当 CPU访问片外存储器时，分时提供低 8 位地址和 8 位数据的复位总线。P1 口：P1.0P1.7。P1 口第一功能是作为通用 I/O 口；P1 口第二功能是在对片内 EPROM 编程或校验时输入片内 EPROM 的低 8 位地址。P2 口：P2.0P2.7

57、。P2 口第一功能是当不带片外存储器时，作为通用 I/O 口；P2 口第二功能是当带片外存储器时，与 P0 口配合 ，传送片外存储器的高 8 位地址，共同选中片外存储器单元。P3 口：P3.0P3.7。P3 口除了做通用的 I/O 口外，作为控制用的第二功能如表 3-2 所示：表表 3-2：P3 口各位的第二功能口各位的第二功能P3 口的位 第 2 功能 注释 P3.0 RXD 串行数据接收口 P3.1 TXD 串行数据发送口 P3.2 INT0 外部中断 0 输入 P3.3 INT1 外部中断 1 输入 P3.4 T0 定时器/计数器 0 外部输入 P3.5 T1 定时器/计数器 0 外部输

58、入 P3.6 WR 外部 RAM 写选通信号 P3.7 RD 外部 RAM 读选通信号3.2 直流电源部分直流电源部分在直流电机调速系统中逻辑元件需要+5V 直流电源，而小型直流电动机的额定电压为 12V，由此可见在本设计中需要两个直流电源，所以可以选用双路稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多是成熟集成元件可选择，电路十分简单6。所以本设计中采用双路输出的线性直流稳压电源，如图 3-2 所示。由图 3-2 可见，这个双路输出的线形直流稳压电源只用了一个 220V 变 12V的变压器，一个整流桥，两块稳

59、压集成电路（7812 和 7805）和四个电容。图中C4 是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于 C4 本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在 C4 旁边并联一个高频滤波性能良好的小电容 C5。而直流稳压电路输出端的19电容 C6 和 C7 是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性。图图 3-2 双路输出的线性直流稳压电源双路输出的线性直流稳压电源3.3 PWM 波形发生原理波形发生原理本设计中 PWM 波形是用 AT89S51 单片机编程实现的，这部分硬件比较少，主要保证 AT89S51 正常工作的最少模式就行了，AT89S51 的

60、P3.7 引脚作为PWM 波的输出口。3.4 电机驱动电路电机驱动电路在上一章已经选定了使用 L298 作为电机的驱动芯片，表 3-3 是 L298 的引脚功能介绍，图 3-3 是电机驱动的硬件电路图。表表 3-3 L298 的引脚功能的引脚功能引脚符号功能1SENSEA15SENSEB此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号2OUT13OUT2此两脚是全桥式驱动器 A 的两个输出端，用来连接负载4Vs电机驱动电源输入端5IN17IN2输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 A 的开关6ENA11ENB使能控制端.输入标准 TTL 逻辑电平信号；低电平时全桥式驱