1、基于Proteus的直流电机控制系统的设计摘要：直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的启动性以及简单的控制电路等优点，在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了以单片机AT89C51和L298驱动芯片控制直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。主要介绍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。本系统采用霍尔元器件测量电动机的转速，用单片机软件实现PWM调整电机转速，给出了程序流程图、程序。硬件电路实现了对电机的预置初值、正反转、急停、加速、减速的控制，以及转速在四位LED上的显示。 关键词：单片机AT
2、89C51， 脉宽调制，直流电机Design of the control system of dc motor based on ProteusAbstract：The direct current machine takes the most common one kind of electrical machinery, has the very outstanding linear physical characteristics, the wide governor deflection, the good starting as well as merits and so on s
3、imple control circuit, therefore obtained the very widespread application in societys each domain.This article designs the MCU AT89C51 and L298 drive chip control dc motor pulse width modulation (PWM) control system. Mainly introduces the control system of dc motor, this paper expounds the basic sch
4、eme of the system is the basic structure, working principle,operation characteristics and design method. This system USES hall components measured the speed of the motor used in the simulation software , MCU software realization PWM motor speed adjustment, the program flow chart, keilc Proteus proce
5、dures. The hardware circuit of the motor, positive &negative initial preset, stop, accelerate, control, and the speed of the slowdown in four led. Key words: Single Chip Microcontroller, AT89C51, Pulse Width Modulation, DC Motor目 录1 绪论11.1研究背景11.2研究意义12 系统硬件设计32.1直流电机的简介32.1.1直流电机的基本结构32.1.2直流电机的工作原
6、理32.1.3直流电机调速原理32.2系统方案设计62.2.1直流电机驱动方案62.2.2 PWM方式的选择62.2.3 PWM控制信号的产生方式72.2.4正反转的设计72.2.5速度调控的实现72.3系统原理82.4系统模块的设计92.4.1单片机最小系统设计92.4.2直流电机驱动电路设计122.4.3转速测量及显示模块设计153 系统软件设计193.1主程序193.2 PWM控制程序243.3正反转控制程序253.4显示功能的实现263.5键盘的功能的实现与设计28结 论30参考文献31致 谢32附录1 系统硬件原理图33附录2 系统程序34II1 绪论1.1研究背景1964年U.st
7、emmler和A.Schonung首先提出把PWM技术应用到电机传动中，从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面1。进入80年代以来，由于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的兴起，电动机有了最新的发展成果2。正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，逐渐形成以体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器，与电机相结合，把电机控制推上了一个崭新的阶段。其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用,并向全数字化控制方向快速发展3。电
8、动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动控制方法能够得到实现，脉宽调制控制方法（PWM和SPWM）,变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的应用4。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机、开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频设计的交流电动机等5。1.2研究意义随着现代科学技术的不断更新发展，电动机技术已经频频出现在科研，军事，教育，工业，以及人们的日常生活中。在目前实际应用中，主要出现有步进电动机和直流
9、电动机两大类，他们在不同的领域中都起着比较核心的作用6。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制；复杂控制是对电动机的转速转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现直流电机启动、制动、正反转控制外，还要进行转速控制为以后复杂控制做为基础学习。 直流电动机具有良好的起动、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。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量
10、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，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制：控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。 采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性。控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实
11、现。集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力，集成化使系统成本大大降低。2 系统硬件设计2.1 直流电机的简介2.1.1直流电机的基本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在定子上的磁绕提供), 其转子由硅钢片叠压而成，转子外圈有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出，直流电机的结构如下图2.1所示： 图2.1 直流电动机结构 图2.2 直流电动机工作原理图 2.1.2直流电机的工作原理如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可转动的铁磁圆柱体，直流电机里边固定有环状永磁体，圆柱体的表面上固定着一个线圈 a
12、bcd，当电流通过转子上的线圈时产生安培力，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中的电流改变方向时，线圈的受力方向也将改变，因此通过改变线圈电流的方向可实现改变电机转动的方向。2.1.3直流电机调速原理 根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。但在调节电压时都可以改变它们的速度 ，由公式2.1 n=（Ua-IaRa）/Ce (2.1)可知调节电压都可以改变速度，本设计实现无级调速，可通过PWM控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求。直流电机转速的数学模型可用图2.3表示、由图可见电机的电枢电动势Ea的
13、正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势，电磁转矩T1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 图2.3 直流电机的数学模型根据基尔霍夫定律，得到电枢电压平衡方程式 U=Ea-Ia(Ra+Rc) (2.2)上式2.2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-IaRa）/Ce (2.3)上式2.3中，Ce为电动势常数，是磁通量。可得: n=Ea/ Ce (2.4)由上式2.4可以看出，对于一个己经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定
14、时，它的转速由电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0时，电机就停止转动:改变电枢电压的极性，电机就反转。对于本课题直流电机来说，电压是一个脉动电压，如图2.4，在调速中通过脉动电压来控制电动机的平均电压，即PWM调速，在驱动控制调速系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并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改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。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、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 图2.4 电枢两端的脉动电压设电机接通电源时电机
15、转速最大为Vmax, 设占空比为a，则电机的平均速度为： Vd=Vmax*a (2.5)式2.5中Vd-电机的平均速度，Vmax-电机全通电时的速度，a=t1/T-占空比。 由公式2.5可见当我们改变占空比a时，就可以得到不同的电机平均速度Vd 。由2.4可得 n=Ea/ CeVmax*a/Ce=ka (2.6)假设电枢内阻很小的情况下上式2.6中的k= Vmax/ Ce是常数，则施加不同的占空比时，测的占空比与转速的关系图如图2.5 图2.5 占空比与电机转速关系由上图可知平均速度与占空比并不是严格的线性关系，原因是电枢本身有电阻，但在一般的应用直流电机的内阻都很小，故可以将其近似地看成线性关系。
