基于AT89C51直流电机PWM调速系统设计

1、内容第一章绪论31.概述31.1电机3的特点、应用及控制前景1.2速度法规4的发展2.dc发动机5的原理2.1电机5的基本工作原理2.2电机6的电气特性第二章dc电机7控制方案设计2.1 dc电机速度控制方法72.1.1脉宽调制速度控制设计112 . 1 . 2 dc电机12控制结构图第三章dc电机调速13的硬件设计3.1最低系统设计133 . 1 . 1 at89c 51简介3.1.2系统时钟17的设计3.1.3系统复位模式173.2电源电路设计183.2.1芯片18的介绍3.2.2电源电路图193.3显示电路设计193 . 3 . 1 78ls 48芯片19介绍3.3.2显示电路图203.

2、4键盘电气设计203.5驱动电路设计213 . 5 . 1 l298n芯片21介绍3.5.4驱动电路21第四章是dc电机的速度控制程序设计4.1主程序流程图224.2键盘扫描流程图234.3中断程序流程图24第五章结论与展望245.1结论245.2展望25致谢25参考文献26英文摘要26附录(主要程序和示意图)27基于at89c51的dc电机脉宽调制调速系统设计设计了一种由单片机at89c51和l298n控制的dc电机脉宽调制调速系统。本文主要介绍了用单片机软件进行脉宽调制调节电机转速的基本方法，并给出了程序流程图和keic51程序。硬件电路实现了对电机正转、反转、急停、加减速的控制，并在四位

3、发光二极管上实时显示脉宽调制占空比。关键词：单片机、调速、dc电机、脉宽调制控制第一章是关于情绪1.概观1.1 dc电机的特点、应用和控制前景电机是一种将电能转化为机械能的装置。电机有很多种，可分为两类：dc电机和交流电机。常见的dc电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。无刷dc电机是所有电机的基础。它具有启动快、制动及时、调速范围大、控制电路相对简单的特点。它一直是自动控制系统的主要执行部件，并广泛应用于轧钢及其辅助机械、矿井提升机、挖掘机、海上钻机、大型起重机、金属切割机、造纸机、纺织机械等领域。换向器是dc电机的主要薄弱环节，它限制了dc电机的单机容量、过载能力、最大电压、最大转速等重

4、要指标，也给dc电机的制造和维护增加了许多麻烦。然而，鉴于dc驱动控制系统的成熟理论和实践，dc电机仍被广泛使用。因此，长期以来，在应用和完善dc传动控制系统的同时，人们一直在开发性能和价格与dc系统相当的交流传动控制系统。近年来，经过微机控制和电力电子变频装置的高度发展，这一愿望终于实现了。电机控制技术的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术和自动控制技术。尤其是微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由其形成的控制系统已经成为当今工业控制的主流系统。该系统取代了传统的模拟检测、调节、显示和记录等仪器设备以及大部分的手动操作功能，使被控对象的动态过程能够按照规定的方法和技

5、术进行操作，完成控制和操作管理等各种任务。近年来，这种嵌入式系统已经广泛应用于肩膀、通信、工业、仪器仪表等领域，现代控制技术已经渗透到各个行业的许多领域。20世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，数控技术得到了更快的更新。世界上许多数控系统制造商利用pc机丰富的软硬件资源开发了新一代开放式数控系统。开放式体系结构使数控系统具有更好的通用性、灵活性、适应性和扩展性，并朝着智能化和网络化方向发展。近20年来，正是这些技术的进步使电机控制技术发生了巨大的变化。其中，电机控制策略的仿真实现正逐步退出历史舞台，而由微处理器、fpga/cpld、通用计算机和pwm控制技术等现代手段组成的数字控制系统

6、发展迅速。先进控制算法的应用和全数字智能运动控制系统的发展将成为新一代控制系统的设计方向。1.2 dc调速的发展dc电机调速系统首先利用恒定的dc电压给dc电机供电，通过改变电枢电路中的电阻来实现调速。该方法简单，易于制造，价格低廉。但缺点是效率低，机械特性软，调速性能宽而平稳，所以目前很少使用。该方法仅适用于低功率、低调速范围的场合。20世纪30年代末，发电机-电动机(也称为旋转变流器组)出现，并利用磁放大器、电动机膨胀机、晶闸管等控制装置，可以获得优异的调速性能，如调速范围宽(十比一)、变速率小、调速平稳，特别是当电动机减速时，电动机轴上的飞轮惯性可以很容易地通过发电机反馈到电网。然而，在

7、这种方式下，发电机和电动机的速度控制系统的主要缺点是需要增加两个旋转电动机和一些相当于速度控制电动机的辅助励磁设备。然而，这种方法的主要缺点是系统重量大、占地面积大、效率低和维护困难。自汞弧变流器出现以来，上述发电机和电动机系统已被汞弧变流器取代，进一步提高了调速性能指标。尤其是其系统的快速响应是发电机和电动机系统无法比拟的。然而，汞弧转炉仍存在一些不足。维修仍然不方便，尤其是水银蒸汽会对维修人员造成一些伤害。1957年，世界上出现了第一个晶闸管。与其他变流器元件相比，晶闸管具有许多独特的优势，因此晶闸管dc调速系统立即显示出强大的生命力。因为它具有体积小、响应快、运行可靠、使用寿命长、维护简

8、单等一系列优点。采用晶闸管供电不仅提高了dc调速系统的经济指标和可靠性，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管变流器的放大倍数在10000以上，比单元(放大倍数10)高1000倍，比汞弧变流器(1000)高10倍。就响应速度而言，单位是秒，而晶闸管转换器是毫秒。自20世纪80年代中后期以来，晶闸管整流装置已经取代了现有的dc发电机和水银整流器装置，使得dc电力驱动完成了一次大跃进。同时，控制电路实现了高集成度、小型化、高可靠性和低成本。随着上述技术的应用，dc调速系统的性能指标有了很大提高，应用范围不断扩大，dc调速技术也不断发展。近年来，随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术和自动控

9、制技术的飞速发展，以晶闸管变流器为动力的dc电机调速系统取代了发电机-电机调速系统，其调速性能远远超过发电机-电机调速系统。特别是随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，dc电机调速系统的精度、动态性能和可靠性都得到了极大的提高。igbt和其他大功率器件在电力电子技术方面的发展正在取代晶闸管，性能更好的dc速度控制系统和微控制器技术已经出现。现代控制技术是以单片机为基础的，由它构成的控制系统已经成为当今工业控制的主流系统。该系统取代了传统的仪器设备，如模拟检测、调节、显示、记录等。以及大部分的手动操作功能，从而可以根据规定的方法和技术操作受控对象的动态过程，并且可以完成诸如控制、操作和管

10、理等各种任务。该嵌入式系统广泛应用于肩膀、通信、工业、仪器仪表等领域。近20年来，正是这些技术的进步使电机控制技术发生了巨大的变化。其中，电机控制策略的模拟实现正逐步退出历史舞台，而由微处理器、通用计算机和脉宽调制控制技术等现代手段组成的数字控制系统发展迅速。先进控制算法的应用和全数字智能控制运动控制系统的开发将成为新一代控制系统的设计方向，这将进一步发展dc电机调速系统的研究。2.dc发动机原理2.1 dc电机的基本工作原理dc电机由永磁体、电枢、换向器等组成。如图1-1和图1-2所示，有两个固定的永磁体，n极在顶部，s极在底部，磁力线从n到s。电枢的ab段和cd段分别与两个非接触的半圆形金

11、属片相连，称为换向器。如图2-1所示，一个正的和负的dc电压加到换向器ab的两端，电流从a到b，从c到d.根据左手定则，在磁力线的作用下，ab段向左移动，cd段向右移动。在这两个力的作用下，abcd电枢开始逆时针旋转，因为换向器和电枢固定在一起，它也旋转。图1-1 dc电机的工作原理(1)图1-2 dc电机的工作原理(2)如图1-2所示，当衔铁旋转180度时，截面cd在上方，截面ab在下方，电流从d流向c，从b流向a。根据左手定则，在磁力线的作用下，从上到下，cd段向左移动，ab段向右移动，即衔铁继续逆时针旋转。当电枢再旋转180度时，它变回图1-1中的状态，电机继续重复旋转。如果ab两端的电

12、压方向相反，电枢将顺时针旋转。原理和上面一样。2.2电机的电气特性图1-3是dc电机的等效电路图。电力eb向电动机供电并产生电流ia。电机相当于运行期间串联的电阻ra和反电动势ec。其中，ra是电枢的等效电阻；ec是电枢旋转时产生的反电动势，与转速成正比。转速越快，反电动势越大。图1-3 dc电机的等效电路根据图1-3，列出了以下公式：eb=raia ec (1-1)如上所述，反电动势与转速成正比，具体关系如下：(1-2)式中是电动势常数，是气隙磁通，它们是电机的固有常数。此外，电机电流与电机输出扭矩成比例。具体关系是：(1-3)其中，电磁转矩常数是电机的固有常数。第二章是dc电机的控制方案设

13、计2.1 dc汽车速度dc电机分为两类：换向器和无换向器。dc电机调速系统首先利用恒定的dc电压给dc电机供电，通过改变电枢电路中的电阻来实现调速。该方法简单，易于制造，价格低廉。然而，缺点是低效率和软机械特性，这使得不可能获得宽和平滑的速度调节性能。该方法仅适用于低功率、低调速范围的场合。20世纪30年代后期，发电机-电动机系统的出现使得具有优良调速性能的dc电动机得到广泛应用。这种控制方法可以获得较宽的速度范围、较小的变速比和平滑的调速性能。然而，这种方法的主要缺点是系统重量大、占地面积大、效率低和维护困难。近年来，随着电力电子技术的飞速发展，由晶闸管变流器供电的dc电机调速系统已经取代了

14、发电机-电机调速系统，其调速性能远远超过了发电机-电机调速系统。特别是随着大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，dc电机调速系统的精度、动态性能和可靠性都得到了极大的提高。igbt等大功率器件在电力电子技术方面的发展正在取代晶闸管，出现了一种性能更好的dc调速系统。dc马达的转速n和其他参数之间的关系可以表示为：(2-1)ua型电枢电源电压(v)；电枢电流(a)；励磁磁通()；电枢电路总电阻()；电势系数，p是电磁对数，n是导体数。从公式(2-1)可以看出，公式中的三个参数可以变成变量，电机的转速只能通过改变其中一个参数来改变，因此dc电机有三种基本的调速方法：(1)改变电枢电路的总电阻；

15、(2)改变电枢电源电压；(3)改变励磁磁通。1.改变电枢电路电阻调速各种dc电机都可以通过改变电枢电路的电阻来调节速度，如图2-1(a)所示。此时，速度特性公式为(2-2)电枢电路中的外部电阻在哪里()。当负载不变时，随着外部电阻的增大，电枢电路的总电阻增大，电机转速降低。机械性能如图2-1(b)所示。改变可以通过切换接触器或主开关来实现。图2-1改变电枢电阻的电路图图2-1(b)为调速改变电枢电阻时的机械特性这种调速方式是步进式调速，调速比一般在2: 1左右，变速率大，轻载下很难得到低速，效率低，所以现在很少使用。2.改变电枢电压速度调节(1)采用发电机组调速方式如图2-2(a)所示，通过改

16、变发电机的励磁电流来改变发电机的输出电压，从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压下，获得的机械特性是一串完全平行的直线，如图2-2(b)所示。通过改变发电机励磁电流的方向，发电机的极性和n的方向都发生了变化，系统可以方便地在任意四个象限工作。图2-2 (a)通用dc速度调节系统图2-2 (b)通用机械的机械特性从图中可以看出，这种调速方式需要两台容量与调速电机相同的旋转电机和另一台容量较小的励磁发电机，因此设备多、体积大、成本高、效率低、安装基础差、运行噪音大、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世纪50年代，使用了诸如水银整流器(大容量)和闸流管的静态交流装置来代替上述旋转变流器组。目前，它已被更经济可靠的晶闸管变流器所取代。(2)采用晶闸管变流器供电的调速方法图2-3(a)车辆-机器速度控制系统图2-3 (b)车辆-机器速度控制系统的机械特性由晶闸管变流器供电的调速电路如图2-3(a)所示。通过调整con图2-3(b)中的每个机械特性曲线由两部分组成，这两部分在当前的连续区域中是硬的。当延迟角改变时，特征是一系列平行的直线，这些直线与发电机-电动机单元供电时的直线完全相同。然而，在不连续电流区，它是一个非线性软特性。这是因为当晶闸管整流器有反电动势负载时，它的电流很容易被中断。变电枢电压调速是dc电机调速