单片机控制直流电机转速-设计论文

攀枝花学院综合设计(论文)基于单片机的电机控制学生姓名：xxx学生学号：xxx院（系）：xxx年级专业：xxxxx指导教师：xxx二〇一二年六月攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制2摘要本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。关键词AT89C51单片机，L298，直流电机攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制3目录摘要............................................................21绪论...........................................................41.1课题背景............................................................41.2课题来源............................................................42系统论述.......................................................52.1设计思路............................................................52.2总设计框图..........................................................53直流电机单元电路设计与分析.....................................63.1直流电机驱动模块....................................................63.1.1直流电机工作原理...............................................63.1.2直流电机PWM调速原理...........................................73.1.3电机驱动模块的电路设计.........................................93.2直流电机的中断键盘控制模块.........................................103.2.1外部中断设置..................................................104直流电机PWM控制系统的实现....................................114.1总电路图...........................................................124.2总电路功能介绍.....................................................124.3直流电机控制程序...................................................125系统仿真......................................................176结论..........................................................18参考文献.........................................................19致谢............................................................19攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制41绪论1.1课题背景本文讨论的单片机多功能定时器的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。1.2课题来源在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制5随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计一个单片机控制直流电机的转速，来方便生活。2系统论述2.1设计思路直流电机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。2.2总设计框图系统组成：直流电机PWM调速方案如图2.1所示：方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制6波形，H型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。图2.1直流电机PWM调速方案3直流电机单元电路设计与分析3.1直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS管、三太门等）组成。3.1.1直流电机工作原理直流电机电路模型如图3.1所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆AT89C51直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机加速控制端减速控制端停止控制端LCD液晶显示P0口P2口P1口单片机攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制7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。图3.1直流电动机电路模型3.1.2直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图3.2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。图3.2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（Ra+Rc）……………………………………………式1.1+AB-abcdNS图1.1直流电机工作raEanT0T2IUT1ΦRc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Φ………………磁通量攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制8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/CeΦ……………………………………………式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。由1.1式和1.2式得n=Ea/CeΦ………………………………………………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。（2）PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压脉动电流压（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。图3.3为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图3.3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。攀枝花学院综合设计（论文）基于单片机的电机控制9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。3.1.3电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从PROTEUS选取元器件如下，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3.4所示●2SK1058:CMOSS管●74L26:三太门●1N4006:二极管●VSCOURCE:电源●MOTOR-ENCODER:直流电机●RES:电阻●AT89C51:单片机(在此并未显示)ABABIN2IN1ENAD11N4006D21N4006D31N4006D41N4006Q12SK1058Q22SK1058Q32SK1058Q42SK1058R11KV1+9V231U174126231U274126直流电机驱动电路直流电机+88.8图3.4直流电机驱动电路然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用L298芯片来构