1、陕西邮电职业技术学院 I 通信系 2013 届毕业设计论文 题 目： 直流电机转速控制系统 专 业： 电子信息工程 班 级： 电子信息工程技术 1131 班 学生姓名： 王文瑞 (025113115) 导师姓名： 冯伟 起止时间： 2013 年 11 月 1 日 至 2014 年 5 月 15 日 陕西邮电职业技术学院毕业设计 II 通信系 2010 级毕业设计（论文）任务书 毕业设计的封面、成绩评定表以及格式要求等相关资料，须在http:/ ，如不符合要求的将按 不合格 处理；在毕业设计中严禁出现相互抄袭、雷同的情况，如有发现，将按照 零分 处理。 题 目 直流电机转速控制系统 指导老师 冯
2、伟 电话 15991880351 Email 要求 ： 设计一个 5V 直流电机的转速控制系统，本系统中利用 51单片机作为主控制器，能够通过外部按键操作实现电机转速的增加和减小，并能够控制电机的转动方向。 要求： 1、利用 PROTEL 99SE 软件设计电路原理图，并制作 PCB； 2、程序设计和功能调试； 3、制作实物并进行调试。 *论文字数不少于 8000 字！ 参考资料： 学生自行解决 陕西邮电职业技术学院毕业设计 III 陕邮职院通信系 2013届毕业设计论文成绩评定表 学生姓名 王文瑞 性别 男 系别 通 信 系 专业 电子信息技术 课题名称 直流电机转速控制系统 班级 电子信
3、息工程 1131 班 起止时间 2013 年 11 月 2014 年 4 月 指导教师 冯伟 课题任务 完成情况 论文 9 (千字 )； 图纸 12 (张 )； 其它 (含附件 )：表 2 (张 )，流程图 10(张 ) 指导 教 师 意见 评阅成绩： 评阅 /指导教师 (签字 )： 年 月 日 学生实得成绩 (百分制 ) 评 阅 成 绩 评 定 级 别 （级别为 “优秀” 、 “合格” 、 “不合格”三档） 陕西邮电职业技术学院毕业设计 IV 摘要 在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有的 90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息
4、息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机 控制向更复杂的控制发展。 本文选用单片机作为控制系统的核心一提高整个系统的可靠性和可行性。本文设计了一个 89C51 单片机控制系统，包括键盘和 A/D 转化器，采用直流脉宽调制 PWM 对电动机进行转速控制。键盘用于转速数值输入。本文给出了转速控制系统的电器原理图和软件流程图。 关键词 ：直流电动机、单片机、键盘、 PWM 陕西邮电职业技术学院毕业设计 V 目 录 1 引言 . I 2 系统论述 . 错误 !未定义书签。 2.1 设计背景 . 错误 !未定义书签。 2.2 设计思路 . 2 2.3 系统框架设计 .
5、 2 3 PWM 脉宽调制定理 . 错误 !未定义书签。 3.1 PWM 调速原理 . 错误 !未定义书签。 3.2 PWM 调速方法 . 错误 !未定义书签。 3.3 PWM 实现方法 . 5 4 系统硬件设计 . 6 4.1 系统基本组成 . 6 4.1.1 硬件模块组成 . 6 4.1.2 单片机整个控制模块 . 6 4.2 AT89C51 单片机简介 . 7 4.2.1 AT89C51 主要性能 . 7 4.2.2 AT89C51 主要功能例举 . 7 4.2.3 AT89C51 各引脚功能介绍 . 8 4.2.4 AT89C51 的内部资源 . 9 4.3 L298 电机驱动模块 .
6、 9 4.3.1 L298 电机驱动简介 . 9 4.3.2 L298 内部原理图 . 10 4.3.3 L298 引脚符号及功能 . 10 4.3.4 L298 逻辑功能 . 11 4.4 独立式键盘控制模块 . 11 4.4.1 键盘的功能及分类 . 11 4.4.2 独立式键盘 . 12 4.4.3 独立式键盘与单片机的连接 . 13 5 系统软件设计 . 13 陕西邮电职业技术学院毕业设计 VI 5.1 流程图 . 12 5.1.1 主程序流程图 . 12 5.2 实物实现过程 . 13 结论 . 14 参考文献 . 15 附录 . 16 附录 1 . 16 附录 2 . 20 陕西邮
7、电职业技术学院 1 1 引言 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现 全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。 微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此
8、外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电 机的发展出现了新的变化。 对于简单的微处理器控制电机，只需利用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现
9、对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机 ,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能 好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。高性能的微处理器如 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即数字信号处理器 )的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传
10、动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如 DSP 等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。 陕西邮电职业技术学院毕业设计 2 2 系统论述 2 1 设计背景 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性 ,调速平滑、方便，调速范围广 ;过载能力大 ,能承受频繁的冲击负载 ,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转 ;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这
11、时通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法应运而生。 2 2 设计思路 直流电机 PWM 控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。 主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。这部分电路主要由 AT89C51 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，能够很方便的实现电机的智能控制。其间是通过 AT89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成
12、： 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对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制。 设计控制部分：主要由 AT89C51 单片机的外部中断扩展电路组成。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 3 系统框架设计 图 2-1 直流电机 PWM 调速方案 方案说明：直流电机 PWM 调速系统以 AT89C51 单片机为控制核心，由命令输入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 L298 直流电机 驱动芯片发送 PWM 波形， H 型驱动电路完成电机正，反转和急停
13、控制。 陕西邮电职业技术学院毕业设计 3 3 PWM 脉宽调制原理 3 1 PWM 调速原理 载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。 PWM 可以应用在许多方面，比如：电机调 PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负速、温度控制、压力控制等等 7。 在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从 而来控制电动机的转速。也正因为如此， PWM 又被称为“开关驱动装置”。 如图 3-1所示： 图 3-1 PWM 信
14、号的占空比 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D= t1 / T，则电机的平均速度为 Va = Vmax * D，其中 Va 指的是电机的平均速度； Vmax 是指电机在全通电时的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。 由上面的公式可见，当我们改变占空比 D=t1/T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度 Vd 与占空比 D 并非严格的 线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。 3. 2 PWM 调速方法 基于单片机类由软件来实现 PWM：在 PWM 调速系统中占空比 D 是一个重要参数在电源电
15、压 dU 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比 D 的大小，改变 D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比 D 的值有三种方法： A、定宽调频法：保持 1t 不变，只改变 t，这样使周期 (或频率 )也随之改变 。 B、调宽调频法：保持 t 不变，只改变 1t ，这样使周期 (或频率 )也随之改变 。 C、定频调宽法：保持周期 T(或频率 )不变，同时改变 1t 和 t。 前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期 (或频率 )，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从陕西邮电职业技术学院毕业设计 4 而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电 路，操作性强等优点。 3.3 PWM 实现方式 方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个 us。 方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。故采用方案一。
