基于AT89C51直流电机PWM调速系统设计

1目录第一章绪论.....................................................21.概述...........................................................21.1直流电机的特点及应用和控制前景...........................21.2直流调速的发展...........................................32.直流电动机原理.................................................42.1直流电机的基本工作原理...................................42.2直流电机的电器特性.......................................5第二章直流电机的控制方案设计....................................62.1直流电动机的调速方法.....................................62.1.1PWM调速设计.......................................102.1.2直流电机控制结构图.................................11第三章直流电机调速硬件设计.....................................123.1最小系统设计............................................123.1．1AT89C51介绍......................................123.1．2系统时钟的设计....................................163.1.3系统复位方式.......................................163.2电源电路的设计..........................................173.2.1芯片介绍...........................................173.2.2电源电路图.........................................183．3显示电路设计...........................................183.3.178LS48芯片介绍....................................183.3.2显示电路图.........................................193.4键盘电设计..............................................193.5驱动电路设计............................................203.5.1L298N芯片介绍.....................................203.5.4驱动电路...........................................20第四章直流电机转速控制程序设计.................................214.1主程序流程图............................................214.2键盘扫描流程图..........................................224.3中断程序流程图..........................................23第五章结论与展望...............................................235.1结论....................................................235.2展望.....................................错误!未定义书签。致谢.............................................错误!未定义书签。参考文献........................................................24英文摘要........................................................24附录(主程序及原理图)............................................252基于AT89C51的直流电动机PWM调速系统设计摘要：文章设计了以单片机AT89C51和L298N控制的直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图、Keic51程序。硬件电路实现了对电机的正转、反转、急停、加速、减速控制以及PWM的占空比在四位LED上的实时显示。关键字：单片机，调速，直流电动机，PWM控制第一章绪论1.概述1.1直流电机的特点及应用和控制前景电机是把电能转换成机械能的装置。电机的种类繁多，如果按电源类型分，可分为直流电机和交流电机两大类。常见的直流电机包括有刷电机、无刷电机、步进电机等。直流有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。历来是自动控制系统的主要执行元件，在轧钢及其辅助机械、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床、造纸机、纺织机械等领域中得到了广泛的应用。换向器是直流电机的主要薄弱环节,它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压、最高转速等重要指标都受到限制,也给直流电机的制造和维护添了不少麻烦。然而，鉴于直流拖动控制系统的理论和实践都比较成熟，直流电机仍在广泛的使用。因此，长期以来，在应用和完善直流拖动控制系统的同时，人们一直不断在研制性能与价格都赶得上直流系统的交流拖动控制系统，近年来，在微机控制和电力电子变频装置高度发展之后，这个愿望终于有了实现的可能。电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控制技术；特别是微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等任务。近几年来，这种嵌入式系统在肩同、通信、工业、仪器、等领域的广泛应用，现代控制技术已深入各行业的诸多领域。进入90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。3正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、FPGA/CPLD、通用计算机、PWM控制技术等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。应用先进控制算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一代控制系统设计方向。1.2直流调速的发展直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，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，不能得到较宽和平滑的调速性能,所以目前极少采用。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。20世纪30年代末期，出现了发电机-电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、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(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，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。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。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，使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，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。1957年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，品闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管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、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，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(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己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，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使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。近年来，随着得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、自动控4制技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统，出现了微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今工业控制的主流系统。这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分操作的人工职能，使受控对象的动态过程按规定方式和技术运行，以完成各种控制、操作管理等任务。这种嵌入式系统在肩同、通信、工业、仪器、等领域的广泛应用。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、通用计算机、PWM控制技术等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。应用先进控制算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一代控制系统设计方向使得直流电机调速系统的研究得到了更深的发展。2.直流电动机原理2.1直流电机的基本工作原理直流电机由永久磁铁、电枢、换相器等组成。如图1-1和图1-2所示，上下是两个固定的永久磁铁，上面是N极，下面是S极，磁力线从N到S。两极之间是一段可旋转的导体abcd，称为电枢。电枢的ab段与cd段分别接到两个互不接触的半圆形金属片上，这两个金属片称为换向器。如图2-1所示，在换向器的AB两端上加上一个上正下负的直流电压，电流由a到b，由c到d。根据左手定则，ab段在自上而下的磁力线作用下，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，它也跟着转动。图1-1直流电动机工作原理（1）5图1-2直流电动机工作原理（2）当电枢转过180°时如图1-2所示，cd段在上方，ab段在下方，电流由d到c，由b到a。根据左手定则，cd段在自上而下的磁力线作用下，向左移动，ab段向右移动，即电枢继续往逆时针旋转方向旋转。当电枢再转过180°后，变回图1-1的情况，电机继续重复地转动。如果把AB两端的电压方向反过来,电枢将顺时针旋转，原理同上。