2022年直流电机调速控制系统设计 .pdf

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1、（学校名字）计算机控制技术课程设计直流电机调速控制系统设计学 生 姓 名xxx 学号xxx 学 院 名 称xxx 专 业 名 称xxx 指 导 教 师xxx xx 年xx 月xx 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计I 目录1 系统方案设计.1 1.1 直流电机调速控制原理说明.1 1.2 直流电机调速控制系统原理图.2 1.2.1 电动机调速系统框图 .2 1.2.2 调速

2、系统原理图 .2 2 系统硬件设计.4 2.1 滑动变阻器的作用与选择 .4 2.2 AT89C51 单片机 .4 2.2.1 AT89C51 单片机功能及引脚说明 .4 2.2.2 PWM的输出方式与端口的选择.6 2.3 PWM功率放大电路 .8 2.4 电机驱动 .8 2.4.1 元器件的选择 .8 2.4.2 电机驱动的原理 .8 2.4.3 电机驱动的优势 .9 2.4.4 电机驱动的不足 .9 2.5 直流电动机 .9 2.6 速度测量电路原理说明和器件选择.10 2.7 显示电路原理与芯片的选择.11 结论.13 参考文献.14名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

3、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计1 1 系统方案设计1.1 直流电机调速控制原理说明图 1.1 所示电枢电压为 Ua ，电枢电流为 Ia ，电枢回路总电阻为Ra,电机常数 K，励磁磁通量是 。直流电机的转速计算公式如下：n=(Ua-IaRa)/K ，其中 Ua 为电枢端电压， Ia 为电枢电流，Ra为电枢电路总电阻， 为每极磁通量， K 为电动机结构参数。其中，对于极对数p，匝数为 N，电枢支路数为a 的电机来说：电机常数K

4、=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Ua-IaRa 中，由于 Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以 Ua-IaRa 约等于 Ua 。由此可见我们改变电枢电压时，转速n 即可随之改变，同时可以看出，转速和Ua、Ia 有关，并且可控量只有这两个，因此我们可以通过调节这两个量来改变转速。我们知道，公式中的Ia 可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM 控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也就是用PWM 控制来进行电机转速调节的。通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机的转速大小。直流电机原理图如下所示：图 1.1 直流电机原

5、理图MIa+-UaRar名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计2 1.2 直流电机调速控制系统原理图1.2.1 电动机调速系统框图图 1.2.1 电动机调速系统框图其中 Ui 为给定值，从输入端输入，然后经过功率放大器，带动电动机工作，从而获得输出端的输出转速n，再由测速机测量电动机的转速，通过比较器进行比较，与所需要的转速经过比较，看是否满足需要，若不满足，改变给定值的大小。1

6、.2.2 调速系统原理图图 1.2.2 调速系统原理图在图 1.2.2 的原理中，由计算机进行总控制，滑动变阻器为手动控制系统，由计算机比较电动机构工作机构功率放大器eUaUi测速机Un_干扰量给定值显示电路AT89C51滑动变阻器PWM 功放电路速度测量电机驱动计算机M名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计3 对单片机 AT89C51进行控制，改变输入，使单片机的一个I/O 端

7、口作为输出指令端口，产生 PWM 控制波形，经过电机驱动带动直流电动机工作，产生的转速经过速度测量装置，再反馈给单片机最终由显示电路显示，然后根据显示器的显示数值，与所需的输出值进行比较，若不吻合，则通过调节活动变阻器，改变阻值，最后由单片机再反应给下一阶段，再重复一开始的步骤，最终达到改变转速的目的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计4 2 系统硬件设计2.1 滑动变阻器的作

8、用与选择滑动变阻器是电路中的一个重要元件，它可以通过移动滑片的位置来改变自身的电阻，从而起到控制电路的作用。在电路分析中，滑动变阻器既可以作为一个定值电阻，也可以作为一个变值电阻。在本电路系统中，主要充当改变电阻值，从而改变电动机转速的作用。图 2.1 分压式滑动变阻器原理图之所以采用分压式滑动变阻器，主要是因为本电路要求待测用电器电流及其两端电压可变范围较大，这样电动机的调速范围也可以相对较大，能够满足设计需要。2.2 AT89C51 单片机2.2.1 AT89C51 单片机功能及引脚说明AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH 存储器（ FPEROMFlash Programmabl

9、e and Erasable Read Only Memory ）的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。名师资料总结 - - -精

10、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计5 引脚排列如图所示。图 2.2 AT89C51 引脚图VCC ：供电电压。GND ：接地。P0口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 / 地址的第八位。在FIASH编程时， P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P

11、0输出原码，此时 P0外部必须被拉高。P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向 I/O 口， P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编 程和校验时， P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4 个TTL 门电流，当 P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器

12、或16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3口将输出电流（ ILL ）这是由于上拉的缘故。P1.0P1.0P1.2P1.0P1.1P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.3(INT1)P3.2(INT

13、0)P3.5(T1)P3.4(T0)EA/VPPXTAL1XTAL2RSTP3.7(RD)P3.6(WR)(AD0)P0.0(AD1)P0.1(AD2)P0.2(AD3)P0.3(AD4)P0.4(AD5)P0.5(AD6)P0.6(AD7)P0.7(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P2.3(A12)P2.4(A13)P2.5(A14)P2.6(A15)P2.7VCCGND(RXD)P3.0(TXD)P3.1ALE/PROGPSENAT89C5112345678131215143119189171639383736353433322122232425262728402

14、010113029名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计6 P3口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，例如：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0 （外部中断 0）P3.3 /INT1 （外部中断 1）P3.4 T0 （记时器 0 外部输入）P3.5 T1 （记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7

15、/RD （外部数据存储器读选通）RST ：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG： 当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号， 此频率为振荡器频率的1/6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高如果微处理器在外

16、部执行状态ALE禁止，置位无效。EA/VPP ：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH ） ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为 RESET ；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（ VPP ） 。XTAL1 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 ：来自反向振荡器的输出。2.2.2 PWM的输出方式与端口的选择本实验采用 PWM 控制，因此需要一个数模转换装置，即A/D转换器。根据设计分析，选择DAC0832 芯片。DAC0832是 8 分辨率

17、的D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A 转换器由8 位输入锁存器、8 位 DAC寄存器、 8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构成。最后在单片机的一个I/O 端口设置为 PWM 输出指令。其指令程序如下： （其中使用了P10端口输出 PWM，定义变量 pwmvalue为占空比数值，信号频率为400Hz ）#include sbit PWM = P10; unsigned char pwmflag = 0; unsigned char pwmvalue = 0; 名师资料总结 - - -精品资

18、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计7 /unsigned char pwmvalue2 = 0; void Timer_Init(void); void main(void) Timer_Init(); TR0 = 1; PWM = 1; pwmvalue = 9;/占空比 90% ，可由其它函数赋值while(1); void Timer0_Intr(void) interrupt 1 pwmflag+

19、; if(pwmflag = pwmvalue) PWM = 1; else PWM = 0; if(pwmflag = 10) pwmflag = 0; void Timer_Init(void) TMOD |= 0 x02; TH0 = 0 x06; TL0 = 0 x06; EA = 1; ET0 = 1; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计8 2.3 PWM功率放大电

20、路此电路的作用是将从AT89C51单片机 P10端口中输出的 PWM 脉冲波形进行放大，然后传给下一阶段的电机驱动电路。其工作原理图如图2.3 所示：图 2.3 PWM功率放大电路原理图由于线性功率放大器的最大缺点就是效率低，引起过热，尤其在低电压、大电流时特别突出，因此采用晶体管放大器，而在采用晶体放大器时必须降低晶体管本身的损耗。晶体管有三种状态：放大、饱和与截止，因此采用开放式功率放大器可以使其工作在饱和与截止状态，以断续供电代替连续供电，可以满足设计需要。2.4 电机驱动此电路设计的电机是利用PWM 信号控制电机转速的方法， 要控制电机的转速 ,就要控制电机正负两端的电压以及电流。2.

21、4.1 元器件的选择MOS 管、大的电解电容、续流二极管2.4.2 电机驱动的原理利用 PWM 产生高低电平来控制MOS 管的 G 极，从而控制 D 极和 S 极之间的通断，当 D 极和 S 极导通时，电极正极接电源，负极接地。当D 极和 S 极断开时，电极正极和电源相连，而负极通过二极管通向电容的正极，给二极管充电，形成回路。这样就可以达到一种平衡状态，调节PWM 方波的占空比就可以调节电极两端的电流，从而控制电极的转速。M_T1T2+E名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

22、第 10 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计9 2.4.3 电机驱动的优势这种控制电极的方法使MOS 管要么工作在饱和区，要么工作在截止区，有效的控制了 MOS 管的发热量，从而增加稳定性，电路简单，易实现。2.4.4 电机驱动的不足二极管续流会严重影响电源，对电源和驱动管的选取要求比较高，同时也有可能会产生一定的振动。2.5 直流电动机如图 2.5 所示，为直流电动机的技术参数：图 2.5 直流电动机的技术参数直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为n=(Ua-IaRa)/K 式中 Ua电枢供电电压（ V）；Ia 电枢电流（ A）

23、；励磁磁通（ Wb ）；Ra 电枢回路总电阻（ ）；可知调速方法：(1) 改变电枢回路总电阻Ra；(2) 改变电枢供电电压Ua ；(3) 改变励磁 。由第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机产生 PWM 方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。利用单片机 AD 转换器输出控制直流电机两端电压，来控制转速。可采用简单的比例调节器，其公式为： Y=Kp*e(t) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 16 页 - - - - - - - -

24、 - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计10 其中： e(t) 为偏差电压，即输入， Kp为比例系数， Y为输出。比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数成正比。2.6 速度测量电路原理说明和器件选择转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为r/min 。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。如下图所示，为速度测量电路的原理图：图 2.6 转速测量原理图霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为l 、b、d。若在垂直于薄片平面（沿厚度d）方向

25、施加外加磁场B，在沿 l 方向的两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：flqVB 式中： fl 洛仑磁力， q载流子电荷， V载流子运动速度，B磁感应强度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压。霍尔电压大小为： UH = RHI B/d(mV) 式中： RH- 霍尔常数， d- 元件厚度， B- 磁感应强度， I-控制电流设 KH = RH /d ，则 UH = KHI B (mV) 直流电机GNDVCCR?RES名师资料总结 - -

26、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计11 其中， KH为霍尔器件的灵敏系数 (mV/mA/T), 它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍

27、尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。2.7 显示电路原理与芯片的选择显示电路采用 74LS164串入并出的移位寄存器给出串行口扩展的3 位 L ED 显示接口电路，如图 2.7 所示，分别为 74LS164寄存器的引脚图和功能图: 图 2.7.1 74LS164 寄存器的引脚图和功能图74LS164 为 串 入 并 出 的8 位 移 位 寄 存 器 , 其 主 要 电 特 性 的 典 型 值 如 下 ：54/74164 185mW 54/74LS164 80mW 当清除端（CLEAR ）为低电平时，

28、输出端（QA QH ）均为低电平。串行数据输入端 （A，B）可控制数据。当 A、B任意一个为低电平 ，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK ）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。引脚说明：符号引脚说明DSA 1 数据输入DSB 2 数据输入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计12

29、Q0Q3 36 输出GND 7 接地 (0 V) CP 8 时钟输入（低电平到高电平边沿触发）/M/R 9 中央复位输入（低电平有效）Q4Q7 1013 输出VCC 14 正电源图 2.7 显示电路P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EAVccX1X2AT89C51RSTVssR+5V+5V+5VP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4RRRV0V1V2V3V4T0T1T2T3T4abcdefgdp名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，

30、共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计13 结论在本设计中，因为采用了PWM 控制，所以具有 PWM 控制的特点：在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点, 可以大幅度降低成本和功耗。同时，系统的响应速度和稳定精度等指标比较好; 电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作; 系统的调速范围宽 ; 使用元件少、线路简单。总而言之就是：操作简单，成本低，可控性好，系统的随动性能优秀，唯一不足的是对驱动电路的要求比较高。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

31、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 16 页 - - - - - - - - - 徐 州 工 程 学 院 课 程 设 计14 参考文献1 戴文进 . 电机与拖动 . 清华大学出版社.20082 高玉芹 . 单片机原理与应用及C51编程技术 . 机械工业出版社.2011.3 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统. 机械工业出版社.2012.4 陈益飞 计算机控制技术 国防工业出版社， 20125 夏长亮 无刷直流电机控制系统 科学出版社，2009名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 16 页 - - - - - - - - -