第8讲直流电机电路的仿真实验

1、8.1 直流电机控制电路的原理介绍直流电机控制电路的原理介绍8.2 直流电机硬件电路的设计直流电机硬件电路的设计8.3 软件编程实现电机电路的控制软件编程实现电机电路的控制 8.4 电机电路在电机电路在Proteus中的验证中的验证8.5 电机转速控制电路的原理介绍电机转速控制电路的原理介绍8.6 实例扩展实例扩展第八讲第八讲 直流电机电路的仿真实验直流电机电路的仿真实验 8.1 直流电机控制电路的原理介绍直流电机控制电路的原理介绍v现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管闸

2、管(即可控硅即可控硅)装置向电动机供电的装置向电动机供电的KZD拖拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的动系统，取代了笨重的发电动一电动机的FD系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。靠性已成为它发展的趋势。 8.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1直流电机的组成直流电机的组成v直流电机由定子直流电机

3、由定子(磁极磁极)、转子、转子(电枢电枢)和机座等部分构成。和机座等部分构成。3IU+SbNacdU+U+电刷电刷换向片换向片U+IFFTn图图8-1 直流电机组成示意图直流电机组成示意图2. 直流电机的工作原理直流电机的工作原理v直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是动，总是S极有效边的电流方向向里，极有效边的电流方向向里，N极有效边的电流极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后，受力（左手定则）方向向外。电动机电枢绕组通电后，受力

4、（左手定则）按顺时针方向旋转。按顺时针方向旋转。v如果想改变电机的如果想改变电机的转动方向转动方向，可以通过改变，可以通过改变外电源的外电源的极性极性；如果想改变电机的；如果想改变电机的转速转速，只要改变电机的，只要改变电机的电压电压就就可以了。可以了。42. 直流电机的工作原理直流电机的工作原理v改变电压的方法很多，最常见的一种改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。制转速。58.2 直流电动机硬件电路的设计直流电动机硬件电路的设计v以直流电机的正反转控制为例，介绍直流电以

5、直流电机的正反转控制为例，介绍直流电机转向控制电路的设计。机转向控制电路的设计。v在在Proteus中，电机在中，电机在Proteus元件库元件库Electromechanical类中，如图类中，如图8-5所示，也所示，也可以直接在可以直接在Keyword栏输入栏输入motor拾取。注拾取。注意直流电机意直流电机(MOTOR-DC)与步进电机与步进电机(MOTOR-STEPPER)的区别。的区别。图图8-2 电机元器件电机元器件正反转可控的直流电动机电路正反转可控的直流电动机电路v如图如图8-3所示为电机转向控制电路。图中，直所示为电机转向控制电路。图中，直流电机驱动采用的是流电机驱动采用的是

6、桥式驱动电路桥式驱动电路。v电路的工作原理是：当电路的工作原理是：当A点为低电平时，点为低电平时，Q3，Q2截止，截止，Q7，Q1导通，电机左端呈现高电导通，电机左端呈现高电平；当平；当B点为高电平时，点为高电平时，Q8，Q4截止，截止，Q6，Q5导通，电机右端呈现低电平，因此，导通，电机右端呈现低电平，因此，在在A为为0，B为为1时，电动机正转时，电动机正转；反之，；反之，在在A为为1，B为为0时，电动机反转时，电动机反转；而当；而当A点和点和B点同为点同为高电平或低电平时，电动机停止转动。高电平或低电平时，电动机停止转动。v图图8-4为单片机主控制电路。为单片机主控制电路。图图8-3 矩阵

7、键盘控制电路矩阵键盘控制电路图图8-4 单片机主控制电路单片机主控制电路8.3 软件编程实现电机电路的控制软件编程实现电机电路的控制 v以图以图8-4为例，我们要求电路运行时，按下为例，我们要求电路运行时，按下K1键，直流电机正转，发光二极管键，直流电机正转，发光二极管D1点亮；按点亮；按下下K2按键，直流电机反转，发光二极管按键，直流电机反转，发光二极管D2点点亮；按下亮；按下K3按键，直流电机停止转动，发光按键，直流电机停止转动，发光二极管二极管D3点亮。点亮。v由图由图8-3可知，通过控制电机驱动电路的端电可知，通过控制电机驱动电路的端电压压UA和和UB的大小，就可以控制电机的转向，的大

8、小，就可以控制电机的转向，A点电压由点电压由P1.0控制，控制，B点电压由点电压由P1.1控制。控制。参考源代码为：参考源代码为：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit K1=P30; /正转正转sbit K2=P31; /反转反转sbit K3=P32; /停止停止sbit LED1=P00;sbit LED2=P01;sbit LED3=P02;sbit MA=P10; /A端电压端电压 sbit MB=P11; /B端电压端电压参考源代码为：参考源代码为：void main()L

9、ED1=1; LED2=1; LED3=0;while(1)if(K1=0) /正转正转while(K1=0);LED1=0; LED2=1; LED3=1; MA=0; MB=1;if(K2=0) /反转反转while(K2=0);LED1=1; LED2=0; LED3=1; MA=1; MB=0; if(K3=0) /停止停止while(K3=0);LED1=1; LED2=1; LED3=0; MA=0; MB=0;8.4 电机电路在电机电路在Proteus中的验证中的验证8.4.1 Proteus电路设计电路设计1. 元件清单列表元件清单列表 打开打开Proteus ISIS编辑环境

10、，按表编辑环境，按表8-1所列的清单添加元件所列的清单添加元件 元元 件件 名名 称称所所 属属 类类所所 属属 子子 类类AT89C51Microprocessor ICs8051 FamilyCAPCapacitorsGenericCAP-ELECCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneousRESResistorsGenericLED-REDOptoelectronicsLEDs表表8-1 元元 件件 清清 单单元元 件件 名名 称称所所 属属 类类所所 属属 子子 类类MOTOR-DCElectromechanicalBUTTONSwitches &

11、 RelaysSwitchesBC184TransistorsBipolarTIP31TransistorsBipolarTIP32TransistorsBipolar表表8-1 元元 件件 清清 单单(续上续上表表)2. 电路原理图电路原理图图图8-5 电路原理图电路原理图 元件全部添加后，元件全部添加后，在在Proteus ISIS的的编辑区域中按图编辑区域中按图8-5所示的原理图连所示的原理图连接硬件电路。接硬件电路。3、源程序的添加、源程序的添加图图8-6 电路运行过程电路运行过程 参照第五讲在参照第五讲在Keil中建立工程，添中建立工程，添加源程序文件、加源程序文件、构建构建.hex

12、文件，加文件，加载目标代码，执载目标代码，执行程序，观察不行程序，观察不同按键被按下后同按键被按下后直流电机的转向直流电机的转向和转速，如图和转速，如图8-6所示。所示。8.5 电机转速控制电路的原理介绍电机转速控制电路的原理介绍v直流电机的转速控制也是电机控制电路非常直流电机的转速控制也是电机控制电路非常重要的部分，现在最常用的方法是利用重要的部分，现在最常用的方法是利用PWM（脉宽调制）调速。（脉宽调制）调速。v参考前一例子，如果向参考前一例子，如果向A点或点或B点输入不同占点输入不同占空比的电压脉冲信号，可以在控制正反转的空比的电压脉冲信号，可以在控制正反转的基础上增加转速控制功能。基础

13、上增加转速控制功能。vPWM是单片机常用的模拟量控制方式，可以是单片机常用的模拟量控制方式，可以通过外接通过外接ADC转换电路，对应外部不同的模转换电路，对应外部不同的模拟电压值，利用单片机产生占空比不同的控拟电压值，利用单片机产生占空比不同的控制脉冲。制脉冲。8.5.1 ADC模数转换器的结构及原理模数转换器的结构及原理vA/D转换器把模拟量转换成数字量，以便于单片机进转换器把模拟量转换成数字量，以便于单片机进行数据处理。行数据处理。v尽管尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用在单片转换器的种类很多，但目前广泛应用在单片机应用系统中的主要有机应用系统中的主要有逐次比较型转换器逐次比较型转

14、换器和和双积分型双积分型转换器转换器，此外，此外 -式转换器式转换器逐渐得到重视和较为广泛逐渐得到重视和较为广泛的应用。的应用。v逐次比较型逐次比较型A/D转换器，在精度、速度和价格上都适转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的中，是最常用的A/D转换器。转换器。1ADC0809引脚及功能引脚及功能vADC0809ADC0809为一款逐次比较型为一款逐次比较型8 8路模拟输入、路模拟输入、8 8位数字量输出的位数字量输出的A/DA/D转换器，引脚如图转换器，引脚如图8-78-7。20图图8-7 ADC08098-7 ADC0809的引脚图的引脚图v IN0 IN0IN7IN7：8 8路模

15、拟信号输入端。路模拟信号输入端。v D0D0D7D7：转换完毕的转换完毕的8 8位数字量输出端。位数字量输出端。v A A、B B、C C与与ALEALE：控制控制8 8路模拟输入通道的切换。路模拟输入通道的切换。A A、B B、C C分别与分别与单片机的三条地址线相连，单片机的三条地址线相连，三位编码对应三位编码对应8 8个通道地址端口个通道地址端口。C C、B B、A = 000A = 000111111分别对应分别对应IN0IN0IN7IN7通道的地址。通道的地址。v OEOE、STARTSTART、CLKCLK：OEOE为输出允许端，为输出允许端，STARTSTART为启动信号输入端，

16、为启动信号输入端，CLKCLK为时钟信号输入端。为时钟信号输入端。v EOCEOC：转换结束输出信号。当转换结束输出信号。当A/DA/D转换开始转换时，该引脚为低转换开始转换时，该引脚为低电平，当电平，当A/DA/D转换结束时，该引脚为高电平。转换结束时，该引脚为高电平。 v V VR R（+ +）、）、V VR R（）：）：基准电压输入端。基准电压输入端。212ADC0809结构及转换原理结构及转换原理22图图8-8 ADC08098-8 ADC0809结构框图结构框图23图图8-9 ADC08098-9 ADC0809芯片工作时序芯片工作时序该芯片的工作时序如下图所示。该芯片的工作时序如下

17、图所示。8.5.2 利用利用ADC控制控制PWM输出输出1、Proteus电路设计电路设计1. 元件清单列表元件清单列表 打开打开Proteus ISIS编辑环境，按表编辑环境，按表8-2所列的清单添加元件所列的清单添加元件 元元 件件 名名 称称所所 属属 类类所所 属属 子子 类类AT89C51Microprocessor ICs8051 FamilyCAPCapacitorsGenericCAP-ELECCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneousRESResistorsGenericADC0808Data ConvertersA/D ConvertersP

18、OT-HGResistorsVariables表表8-2 元元 件件 清清 单单图图8-10 ADC元器件元器件v注意我们在进行注意我们在进行ADC仿真的时候，选择的芯仿真的时候，选择的芯片不是片不是ADC0809，而是，而是ADC0808（带有仿真（带有仿真模型的那个）模型的那个）.v这两个的这两个的区别区别是：是：ADC0808是是0809的简化版，的简化版，主要的不同点是主要的不同点是0808的转换输出的转换输出OUT18与与0809的输出端的输出端D0D7的高低位是相反的，即的高低位是相反的，即0809的最低位是的最低位是D0，而，而0808的最低位是的最低位是OUT8.vADC080

19、8在实际中不常用，实际中常用的是在实际中不常用，实际中常用的是0809，而，而0808最常用的是在最常用的是在protues仿真里仿真里面，因为面，因为0809是没有模型库，无法仿真的。是没有模型库，无法仿真的。2. 电路原理图电路原理图图图8-11 电路原理图电路原理图v元件全部添加后，在元件全部添加后，在Proteus ISIS的编辑区域中按图的编辑区域中按图8-11所示的原理图连接硬件电路。所示的原理图连接硬件电路。2. 电路原理图电路原理图图图8-12 局部原理图局部原理图 其中重点是其中重点是ADC0809与单片机的连接控制端，如下图。与单片机的连接控制端，如下图。v以图以图8-11

20、为例，我们要求电路运行时，通过模拟通道为例，我们要求电路运行时，通过模拟通道0的滑动变阻器的滑动变阻器RV1的调节，可以改变输出脉冲的占的调节，可以改变输出脉冲的占空比。空比。vADC0808有有8个模拟输入通道，本例的模拟量是从通个模拟输入通道，本例的模拟量是从通道道0输入的，输入的，IN0的通道地址为的通道地址为000，故将，故将ADD C,ADD B,ADD A三只引脚接地。根据三只引脚接地。根据8-11的工作时的工作时序，序，START引脚在一个高脉冲后启动引脚在一个高脉冲后启动A/D转换，当转换，当EOC引脚出现一个高电平时转换结束，由引脚出现一个高电平时转换结束，由OE引脚控引脚控

21、制从并行输出端读取一字节的转换结果（范围为制从并行输出端读取一字节的转换结果（范围为0 x000 xff），转换过程中芯片所需要的时钟信号由），转换过程中芯片所需要的时钟信号由单片机定时器单片机定时器T0的中断程序提供。的中断程序提供。3. 软件编程实现软件编程实现PWM输出输出参考源代码为：参考源代码为：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit CLK=P24;sbit ST=P25;sbit EOC=P26;sbit OE=P27;sbit PWM=P30;void delay(uchar x)uch

22、ar i;while(x-) for(i=0;i40;i+);参考源代码为：参考源代码为：void main()uchar Val;TMOD=0 x02; /T0为为8位自动装载的定时器位自动装载的定时器TH0=0 x14; /定时初值定时初值TL0=0 x00; IE=0 x82; /允许允许Timer0中断中断 TR0=1; /启动定时器启动定时器T0 while(1) ST=0;ST=1;ST=0; /启动启动A/D转换转换while(!EOC); /等待转换完成等待转换完成OE=1;Val=P1; /读取转换结果读取转换结果OE=0;if(Val=0) /PWM输出（占空比为输出（占空比为0%）PWM=0;delay(0 xff);continue; /注意注意continue的用法的用法参考源代码为：参考源代码为： if(Val=0 xff) /PWM输出（占空比为输出（占空比为100%）PWM=1;delay(0 xff);continue; PWM=1; /PWM输出（占空比大于输出（占空比大于0%小于小于100%）d