1、-I-基于单片机的直流电机控制设计摘 要本文利用 PWM 斩波技术对直流电机的转速进行控制，控制芯片采用 AT89S52 单片机，描述了直流电机的调速原理和 PWM 脉冲宽度调制的方法。此外，设计了 IR2104 的自举驱动电路。文中也一并对 IR2104 的工作原理进行了介绍与应用分析。在理论分析的基础上对电路的硬件部分进行了设计，包括单片机最小系统、驱动模块、按键模块、测速模块、显示模块。最后对系统进行了实验研究，给出了实验波形和实际运行情况图，实验结果较为理想，证明本文所设计的调速方法和驱动电路满足直流电机调速系统的要求。关键词：AT89S52 单片机；PWM；IR2104；H 桥Des
2、ign of DC Motor Control System Based on MicrocontrollerAbstractIn this paper, PWM chopper technology control the DC motor speed and control chip by AT89S52 microcontroller. The speed regulation principle and PWM pulse width modulation method of DC motor are described. In addition, the bootstrap driv
3、e circuit of IR2104 is designed. -II-In this paper, the working principle of IR2104 is introduced and analyzed.On the basis of theoretical analysis, the hardware of the circuit is designed, including MCU system, drive module, key module, speed measurement module and display module.At last, the exper
4、imental study of the system is given, the experimental waveform and the actual operation diagram are given, the experimental results are ideal, proves that the speed control method and drive circuit designed in this paper meet the requirements of DC motor speed control system.Keywords：AT89S52 microc
5、omputer; PWM; IR2104; H bridge-III-目录中英文摘要 .I1 引言 .11.1 选题背景及实际意义 .11.2 选题的研究现状 .11.3 本文研究的内容 .12 直流电机结构与调速原理 .32.1 直流电机的基本结构 .32.2 直流电机调速方法 .32.3 PWM 调速原理 .43 调速系统硬件设计 .53.1 系统硬件总体设计 .53.2 AT89S52 单片机芯片简介 .53.3 供电电源设计 .53.3.1 控制电路电源 .53.3.2 驱动电路电源 .63.4 单片机外围电路设计 .63.4.1 时钟电路 .63.4.2 复位电路 .63.4.3 I
6、SP 下载调试接口 .73.5 H 桥电路设计分析 .73.6 逻辑电路及驱动电路设计 .8-IV-3.6.1 逻辑电路设计 .83.6.2 光耦隔离设计 .93.6.3 驱动电路设计 .103.7 测速模块 .123.8 按键和显示电路设计 .123.8.1 按键电路设计 .123.8.2 显示电路设计 .134 调速系统程序软件设计 .144.1 主程序设计 .144.2 初始化子程序 .144.3 按键与显示子程序设计 .154.3.1 显示子程序 .154.3.2 按键处理程序 .164.4 PWM 脉宽调节程序设计 .174.4.1 阶跃 PWM 脉宽调节 .174.4.2 谐波 P
7、WM 脉宽调节 .184.5 测转速脉冲程序设计 .195 实验研究 .205.1 硬件电路实物 .205.2 波形测试 .215.3 测速及显示 .236 总结 .25-V-6.1 工作总结 .256.2 不足和展望 .25参考文献 .26致谢 .27附录 .28附录一：器件清单 .28附录二：原理图 .29附录三：PCB 图 .30-1-1 引言1.1 选题背景及实际意义当今社会快速发展，直流电机被广泛应用到各种控制系统中 1。小到生活用品，大至工业制造、航天航空等不同的领域。随着单片机控制技术的应用发展，直流电机调速系统开始往数字化、高速化发展，调速系统的要求伴随着自动控制技术的发展也越
8、来越高 2。直流电机调速简单方便是因为只要调节电机两端的电压就可以。在电机调速的方法中，PWM 调速是最常见的，只要调节 PWM 占空比就能够改变电机的转速。直流电机在许多控制领域中应用非常广泛，因为电机具有良好的起动性能 3。早期的直流电机拖动调速系统多采用的模拟电路，控制系统较为复杂，而且操作相对不方便和功能单一，使直流电机不能得到很好的发展 4。不过随着单片机技术和电力电子领域的快速发展，现代调速系统得到了非常大的提升，所以研究直流电机调速还是很有研究意义的。1.2 选题的研究现状下面列几个常见的直流电机调速方案。第一种方法：早期的电机调速方法是通过调节电机串联的电阻大小来调速的，这个方
9、法虽然简单且可以进行调速，但是调速非常不平滑，跳跃性太大。第二种方法：发电机电动机调速，这种方法调速性能相较调电阻的方法好，但是所使用的电力拖动系统较大，而且组成复杂，操作不便利。第三种方法：用晶闸管组成的调速系统。这种调速方法精度高、体积小，是未来很长时间内的主要应用方向 5。随着电力电子技术和微型计算机的快速发展，电机调速系统的发展越来越趋向高精度和低成本的方向发展。我国的直流电机调速技术发展较国外发展较慢，特别是西门子、通用电气等大公司更是取得了非常大的优势地位。在直流电机调速领域，我国发展较晚，但是这并不影响我们后来居上，现在我国的调速技术也有了质的飞跃。我国在直流电机调速领域也投入了
10、大量的精力，例如，一些研究所、高校和企业都有在研究这个领域，也取得了不错的成果。1.3 本文研究的内容本设计的控制对象是直流电机，以 AT89S52 单片机为主控芯片，驱动电路采用半桥-2-驱动芯片 IR2104 搭建的自举电路，控制方法采用 PWM 脉宽调制，利用 U 型光电传感器测速 6，实现了直流电机的调速、测速以及显示，具体研究内容如下：（1）对直流电机的结构和调速原理进行分析。（2）通过对 NMOS 管组成的 H 桥电路原理的分析，深入研究 IR2104 自举驱动电路的工作原理。（3）研究 U 型光电测速传感器的测脉冲原理，实现直流电机测速以及转速的实时刷新显示。（4）在了解 PWM
11、 脉宽调速原理的基础上，设计直流电机调速系统的硬件电路和软件程序。（5）在以上工作的基础上对系统进行了实验，记录实验结果并分析。-3-2 直流电机结构与调速原理2.1 直流电机的基本结构直流电机定子转子主磁极换向极机座电刷装置电枢铁心电枢绕组换向器转轴图 2-1 直流电机的基本结构图直流电机是一种将机械能转化为电能的设备。直流电机运行时，定子是静止不动的，转子相对定子运动。下面简略介绍几个部分：（1）主磁极的作用是产生建立磁场，主要由主磁极铁心和励磁绕组组成 7。（2）换向极可以有效减少电机运行时产生的有害火花。（3）电枢绕组是直流电机的电路部分，产生磁场和电动势就是在这里，也是电能转换的部分
12、 8。（4）换向器起整流的作用。2.2 直流电机调速方法众所周知，直流电机转速 n 的表达式为:-4-(2-1)KIRUn式中:U-电枢端电压I-电枢电流R-电枢电路总电阻-每极磁通量K-与电机结构有关的常数由上式可知，直流电机转速 n 的控制方法有三种:（1）调压，调节电枢绕组电压调速，可以用于范围较大的平滑调速；（2）弱磁，调速范围较小；（3）变阻，只能有级调速，平滑性差。这三种方法里面，变阻的方式效果最差，很少采用。弱磁调速范围不大。因此，本设计采用调压的方式。改变电枢电压的方式主要有 3 种：旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM ）变换器 9。其中，脉宽调制通过改变开关频率，使
13、占空比发生变化，电枢绕组的平均电压也就相应的改变，就达到了调节转速的目的。这也是本设计所使用的方法。2.3 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制半导体器件的开关通断状态，如果开关通时，电压为高电平，开关关时，电压为低电平。通过控制电子器件开关的通断来可以改变 PWM的脉冲宽度，也就改变了直流电压的平均值，这就是 PWM 调速的主要原理 10。也正是因为这样，PWM 也有“开关驱动装置”的叫法。PWM 脉冲信号占空比关系如图 2-2。占空比 Duty=t1/T，假设电机最大转速为 VM，则电机的平均转速 VD=Duty*VM。由上面的公式可见，当我们改变占空比 Duty 的大小时，电机
14、平均转速 VD 也会随之-5-改变，也就实现了调速的目的。如果从实际情况来看，V D 和占空比并不是完全线性的关系，但是在精度要求不是很高的情况下，也不失为一种好方法。t 1 t 2T图 2-2 PWM 占空比关系3 调速系统硬件设计3.1 系统硬件总体设计单片机显示隔离 驱动测速按键电机图 3-1 调速系统硬件总框图本设计以 AT89S52 单片机为主控芯片，PWM 信号由单片机定时器产生，经过逻辑变换电路分成 2 路完全对称的 PWM，再通过光耦隔离将信号传递至驱动芯片 IR2104，利用驱动电路控制 H 桥，从而实现对电机转速和转向的控制。电机调速系统的相关功能通过独立按键来实现。最后利用 U 型光电传感器测得转速脉冲，将脉冲信号送至单片机进行处理，把转速显示在 LCD1602 上面。3.2 AT89S52单片机芯片简介AT89S52 是 ATMEL 公司所生产的一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统
