EDA直流电机设计说明

1、课程设计（论文）任务书年级专业07 电子信息工程学生姓名学号题目名称直流电机控制器的设计设计时间2010.01.04-2010.01.15课程名称综合电子设计课程编号131300109设计地点实验楼 5530一、课程设计（论文）目的本课程设计一个直流电机控制装置，可以实现对直流电机的启动、停止以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的通过 LCD液晶显示器读出电机的转向和转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制，实现其是在化工领域的广泛应用。二、已知技术参数和条件1具备的条件1）具有 PROTEUS电子设计平台；2）具有单片机硬件实验平台；3）可供参考的资料较全；2控制对象5

2、V 微型直流电机，功率为10W。三、任务和要求1、 功能要求具有正、反转、停止功能，速度要求在线可调2、设计要求以单片机为控制核心，实现硬件电路的设计、程序设计，并在PROTEUS平台实现仿真；课程设计论文内容正确，结构合理。注： 1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表 1 式 3 份，学生、指导教师、教研室各1 份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1、现有的理论基础系统学习了模拟电子技术、数字电子技术 、电路、单片机原理与应用 、 C语言程序设计等电子信息专业相关课程，具备了设计该课题的理论基础。2、具备课题开发的实验条件1）硬件方面

3、：个人计算机、单片机实验箱、单片机学习装置、调试及制作工具。2）软件方面： PROTEUS仿真软件， WAVE软件 KEIL 相关软件。五、进度安排：组织开会，明确课题，下达课题任务书，宣布课程设计的要求和具体的措施。至 ：调研、查找资料。：方案设计；至 ：电路设计；至 ：程序设计及电路仿真；：仿真结果验收；至 ：撰写课程设计报告；六、教研室审批意见教研室主任（签字） ：年月日七 | 、主管教学主任意见主管主任（签字） ：年月日八、备注指导教师（签字）：学生（签字）：课程设计（论文）评阅表学生姓名学号系信息工程系题目名称直流电机控制器的设计专业班级课程名称综合电子设计一、学生自我总结学生签名：

4、年月日二、指导教师评定评分项目综合成绩权重单项成绩指导教师评语：指导教师（签名） ：年月日注： 1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要介绍一种单片机（如 89C51型）在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。 直流电动机转速控制系统采用了元器件测量电动机的转速， 用此种单片机对直流电动机的转速进行了控制， 用 LCD液晶显示实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。 由于直流电动机具有良好的起动、 制动性能， 适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或

5、快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且，从控制的角度来看， 直流调速还是交流拖的动系统的基础， 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础， 由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。 随着单片机技术的日新月异， 使许多控制动能及算法可以采用软件技术来完成， 不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能， 从而大大节约了人力资源， 降低了系统成本，有效地提高了工作效率。关键词： 单片机直流电机转速控制PWM目录1前言 .12方案设计 .1

6、2.1设计要求 . .12.2工程方案 . .13电路设计 .23.1直流电机结构 . .23.2直流电机的工作原理 .23.3直流电机 PMW调速原理 .33.4电机驱动模块的电路设计 .54实验平台 .54.1运行环境 . .54.2开发工具 . .5程序设计 .65.1程序流程设计 . .65.2程序详细设计 . .7系统仿真 .77 总结与体会 .10参考文献资料 .10附录 .111 前言随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（ Pulse Width Modulation ，简称 PWM）已成为直流电机新的调速方式。 这种

7、调速方法具有开关频率高、 低速运行稳定、 动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速， 而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制， 数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、 较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。2 方案设计2.1 设计要求本课程设计一个直流电机控制装置， 可以实现对直流电机的启动、 停止以及电机

8、的正转和反转， 并且可以调整电机的转速， 还可以方便的通过 LCD液晶显示器读出电机的转向和转速的大小， 能够很方便的实现电机的智能控制， 实现其是在化工领域的广泛应用。2.2 工程方案直流电机 PWM控制系统的主要功能包括： 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， 还可以方便的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（置数）、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80C51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

9、分：主要由80C51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。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成 ;LED数码显示部分由七段数码显示管组成。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，如图2.1 所示。P0 口直流电机直流驱动模块电机图 2.1 设计原理图AT89C51加速控制端单片机AT89C51减速控制端LCDP2 口正转控制端P1口液晶显示反转控制端停止控制端图 2.1 PMW直流电机设计框图3 电路设计3.1 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

10、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，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出, 直流电机结构如图3.1 所示。图 3.1直流电动机结构3.2 直流电机的工作原理直流电机电路模型如图3.2 所示，磁极 N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时， 线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。 根据左手定则可知， 当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。+ A-BNbacdS图 3.2直流电动机电路模型图1.1 直流电机工作3.3 直流电机 PMW调速原理直流电机转速直流电机

11、的数学模型可用图 3.3 表示，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， Ea 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。UI T1T2nT0RcEar a说明 :U > 电压Ea > 电枢电动势n >转速 I >电枢电流ra > 电枢回路电阻Rc > 外在电枢电阻T1， T2 >负载转矩T0 >空载转矩> 磁通量图 3.3直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1 ：U=Ea-Ia

12、 （Ra+Rc）式1.1式 1.1 中， Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联保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 式 1.2 式 1.2 中， Ce 为电动势常数， 是磁通量。由 1.1 式和 1.2 式得n =Ea/Ce式1.3由式 1.3 中可以看出，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，它的转速由回在电枢两端的电压 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。PWM电机调速原理对于直流电机来说， 如果加在电枢两端的

13、电压为3.4 所示的脉动电流压 （要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T 不变的情况下，改变 T1 和T2 宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。t1t2T最大值 Vmax平均值 Vd最小值 Vmin图 3.4施加在电枢两端的脉动电压图1.3 PWM调速原理图设电机接全电压 U时，其转速最大为 Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为 D=t1/T ，则电枢的平均电压为：U 平 =U·D 式1.4由式 1.3 得到：n =Ea/Ce U·D/ Ce =KD在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce ，是常数。图 3.5 为施加不同占

14、空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图 3.5占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D 并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。3.4 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理， 选用 L298 芯片来构成的基本电路结构。 从 PROTEUS选取元器件， 放置元器件、 放置电源和地连线， 我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图 3.6 所示。+12V+12VRP1RESPACK-8直流电机驱动芯片D1D398765432194U

15、21N40031N4003R4+88.85IN1VCCVS直流电机R572IN2OUT110010IN3100123IN4OUT2R66D4D2ENA10011OUT313ENB1SENSAOUT414151N40031N4003SENSBGND8L298图 3.6直流电机驱动电路4 实验平台4.1 运行环境（ 1） Windows2000/XP系统（ 2） Wave编译环境（ 3） Protues 仿真环境4.2 开发工具汇编语言程序设计5.1 程序流程设计本设计的程序分为两个部分，中断程序部分和显示程序部分。其流程图见下：中断X 0=0加速操作， RETIX 1=0减速操作， RETIX

16、=0正转操作， RETI2X 3=0反转操作， RETIX =0停止操作， RETI4图 . 中断流程图开始对 LCD 进行初始化操作将提示的内容送中并使其显示早第一行电机速度等于Delay把键盘读取的速度和方向送入，并显示在第二行判断是否有命令Delay输入图 . 显示部分的流程图5.2 程序详细设计源程序代码及其详解见附录 系统仿真（ 1) 程序设计后，用汇编软件（伟福 6000）编译，生成 . HEX文件。（ 2) 在 proteus 中加载 .HEX文件。（ 3) 点击开始仿真软件，进行仿真。LCD液晶显示电路的系统仿真与调试：在 PROTEUS运行环境中首先检验 LCD 显示电路，添

17、加程序，运行 LCD液晶显示电路。此后在之前的电路基础之上再拓展带中断的独立式键盘，调试成功后的电路如图6.1 所示。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 6.1 。U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD118P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD59P0.6/AD6RSTP0.7/AD7RP1RESPACK-839383798765363534333221加速4321R4100R5R610095IN1VCC7IN210IN312IN46ENA11+12V4 U2VSOUT12OUT2313+12VD1D31

18、N4003-91.21N4003D4D2P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A1022减速23正转1001ENBSENSAOUT3OUT41429PSENP2.3/A1130ALEP2.4/A1231EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A151P1.0P3.0/RXD2P1.1P3.1/TXD3P1.2P3.2/INT04P1.3P3.3/INT15P1.4P3.4/T06P1.5P3.5/T17P1.6P3.6/WR8P1.7P3.7/RDAT89C5124反转25停止2627281011121314151617U?AND_515SENSB加速减速正转反转停止GND8L298加速

19、减速正转反转1N40031N4003停止图 6.1用带中断的键盘来控制的电机连接 LCD显示部分，得到未按键时的电路，如图6.2 所示。LCD1LM016LLCD液晶显示76543210E D SW SE D SDDDDDDDDE R RV V V4321098765432111111W SER R%57+12V+12VRP1U1RESPACK-819XTAL1P0.0/AD038直流电机驱动芯片D339D1P0.1/AD13794U2P0.2/AD29876543211N40030.0018XTAL2P0.3/AD336R41N4003P0.4/AD4355IN1 VCCVS直流电机P0.5

20、/AD534100R57IN2OUT12P0.6/AD63310IN3932100123RSTP0.7/AD7IN4OUT2R66D4D2加速ENA211113P2.0/A8100ENBOUT322减速P2.1/A9RV1正转P2.2/A10231SENSAOUT414反转1k 29PSENP2.3/A112415SENSB GND1N40031N4003停止30ALEP2.4/A122531EAP2.5/A13268P2.6/A1427L298P2.7/A15281P1.0P3.0/RXD10RS211RW加速加速3P1.1P3.1/TXD12P1.2P3.2/INT04P1.3P3.3/I

21、NT113E514减速6P1.4P3.4/T015减速P1.5P3.5/T17P1.6P3.6/WR16U?加速8P1.7P3.7/RD17正转减速正转AT89C51正转反转反转停止反转AND_5停止停止图 6.2未按键时的初始状态启动目标系统，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 6.3 是在正转情况下的仿真结果，图6.4 是在反转情况下的仿真结果。LM016LLCD1LCD液晶显示RP1+12V+12VU1RESPACK-8D1D319

22、39XTAL1P0.0/AD038直流电机驱动芯片P0.1/AD13794U2P0.2/AD298765432118XTAL2P0.3/AD336R451N40031N4003E DSP0.4/AD435IN1 VCCVS直流电机765 432 1 0WS34100R572E DSP0.5/AD5IN2OUT1DDD D DD D DE RRV VV3310P0.6/AD6R6100IN343210 98 76 5 43 2 19RSTP0.7/AD73212IN4OUT2311111W S加速6ENAD4D2211113E R RP2.0/A8100ENBOUT3P2.1/A922减速RV1

23、正转P2.2/A10231SENSAOUT414反转1N40031N4003%1k292415530PSENP2.3/A1125停止SENSB GND7ALEP2.4/A1231EAP2.5/A13268L298P2.6/A142728P2.7/A151P1.0P3.0/RXD10RS211RW加速P1.1P3.1/TXD312P1.2P3.2/INT04P1.3P3.3/INT1 13E5P1.4P3.4/T014减速615P1.5P3.5/T1716P1.6P3.6/WRU?加速8P1.7P3.7/RD 17正转减速AT89C51正转反转 反转停止AND_5停止加速减速正转反转停止LCD1

24、LM016LLCD液晶显示76543210W SE DSE D SDDDDDDDDERRV V V4321098765432111111W SE RR%57图 6.3电机正转时的状态RP1+12V+12VU1RESPACK-8D1D31939XTAL1P0.0/AD038直流电机驱动芯片P0.1/AD13794U2P0.2/AD298765432118XTAL2P0.3/AD336R451N40031N4003P0.4/AD435IN1 VCCVS直流电机3410072P0.5/AD5IN2OUT133R510P0.6/AD6R6100IN39RSTP0.7/AD73212IN4OUT23加速

25、6ENAD4D2211113P2.0/A8100ENBOUT322减速RV1P2.1/A923正转114P2.2/A10SENSAOUT4反转1N40031N40031k29PSENP2.3/A112415SENSB GND3025停止ALEP2.4/A123126EAP2.5/A13827L298P2.6/A1428P2.7/A151P1.0P3.0/RXD10RS211RW加速加速3P1.1P3.1/TXD12P1.2P3.2/INT04P1.3P3.3/INT113E514减速6P1.4P3.4/T015减速P1.5P3.5/T17P1.6P3.6/WR16U?加速8P1.7P3.7/R

26、D17正转减速正转AT89C51正转反转反转停止反转AND_5停止停止图 6.4电机反转时的状态7 总结与体会在此次综合课程设计， 在我看来不仅仅是单纯的一个单片机的应用， 而是多学科多领域的综合设计。做完这次设计，我深有体会。首先，做这个设计不是光靠学好单片机这一门课就可以的。 我充分体会到了要全面发展， 各个学科都要学好， 知识的全面性很重要。 比如在编写程序时， 我们就明显感觉到了汇编语言的基础不够扎实， 而当我们真正开始做设计的时候才发现一个课程的项目设计是需要其他许多项目来给它做基础的。 其次，做这个设计不是光靠学好书本上的知识就够的。设计的灵魂便在于它的理念，要做出一个好的设计作品

27、来，需要你平时对生活有足够的观察和了解，古话说，学以致用，及时你设计出来的东西原理再高深，但在实际生活中却无处可用，那也是没有任何价值的。 所以在刻苦学习的同时， 也要关注社会动态， 了解人民生活所需，有一个正确的设计理念才能使自己走对第一步棋。参考文献资料1 李朝青 . 单片机原理及接口技术 . 北京航空航天大学出版社 ，20022 李华 .MCS-51 系列单片机实用接口技术. 北京航空航天大学出版社3 张迎新 . 单片机初级教程 . 北京航空航天大学出版社出版社4 于永，戴佳 .51 单片机 . 电子工业出版社附录程序代码及其详解：ORG0000HSJMP DISPLAYORG0003H

28、LJMP BUTTON;ORG000BHLJMP DINGSHI;RSEQUP3.0RWEQUP3.1EEQUP3.4ORG0030H ;DISPLAY:SETBEA;SETBEX0;SETBIT0;外部 0 中断入口地址定时中断 T0 入口地址打开中断总开关打开外部中断 0 开关打开外部中断 0 下降沿触发MOVTMOD,#01H ;MOVTL0,#0FFH;MOVTH0,#0FFHSETB ET0;CLRP0.5CLRP0.6CLRP0.7SETB TR0;MOVDPTR,#TAB;MOVR0,#00H;MOVR1,#16 ;MOVR3,#00HMOVR4,#00HLP9:LCALL CH

29、USHILP2:ACALL BUSYMOVA,#00HMOVC A,A+DPTRMOVP1,AACALL DATASINCDPTRDJNZ R1,LP2LP3:CJNE R3,#00H,LP4CJNE R4,#00H,LP4SJMP LP3设置定时工作方式设置定时初值打开定时中断 T0 开关定时器 T0 开始定时夜晶显示的字符首地址脉宽的初值"SET SPEED PLEASE"的字符个数LP4: MOVR7,#00H;MOVR5,#09H;ACALL BUSYMOVP1,#0C0HACALL ENABLEMOVDPTR,#MMTABACALL BUSYLP5:MOVA,#00HMOVC A,A+DPTRMOVP1,AINCDPTRACALL DATASACALL BUSYDJNZ R5,LP5MOVDPTR,#STABMOVA,R2MOVP1,AACALL DATASACALL BUSYMOVA,R3;MOVC A,A+DPTRMOVP1,AACALL DATASACALL BUSYMOVA,R4;MOVC A,A+DPTRM