1、 本科毕业设计 （ 20 届） 直流电动机控制系统的设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 本设计是采用 SPGT62C19B 芯片对电机进行驱动并 通过 C8051F005 单片机以及电机控制电路实现对直流电机速度测量和调 节，并利用 4个按键对电机进行转速和正反转的控制。 并且可以实时测量电机的实际转速，并在 LCD液晶显示器上显示出来；对电机进行 PID 转速调节，使其转速趋近于设定值。以及利用 PID 算法实现直流电机 脉冲脉宽调制（ PWM） 调速的方法。 并在 Silicon Labs 单片机开发软件上进行调试。 关键词：
2、单片机 ； 直流电机 ； PID 算法；脉宽调制 - 3 - Abstract This design is adopted to motor driven SPGT62C19B chip, And through the MCU (Microcontroller) C8051F005 and motor control circuit to realization of the DC(Direct Current) motor speed measurement and adjustment, and the use of four buttons on the motor speed an
3、d positive On the motor PID speed adjustment, make its speed is approaching to value. The use of PID algorithm to realize dc-motor PWM(Pulse Width Modulation)-speed method. And in Silicon Labs MCU development software testing Key Words: MCU; DC motor; PID algorithm ; PWM目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 研究直流电机控制
4、系统的意义 . - 1 - 1.2 直流电机控制系统的发展趋势及现状 . - 1 - 2 方案设计 . - 2 - 2.1 设计任务 . - 2 - 2.2 方案分析 . - 2 - 3 硬件设计 . - 4 - 3.1 直流电机 . - 4 - 3.2 电机驱动芯片 . - 4 - 3.3 速度检测模块 . - 7 - 3.4 显示模块 . - 8 - 3.5 按键 . - 9 - 3.6 主控制模块 . - 10 - 4 软件设计 . - 12 - 4.1 Silicon Labs C8051F 单片机开发工具概述 . - 12 - 4.2 PID 算法 . - 13 - 4.3 PWM
5、基本原理 . - 14 - 4.4 PWM 的产生 . - 15 - 4.5 交叉开关 . - 17 - 4.6 转速测量 . - 17 - 4.7 主程序流程图 . - 19 - 5 调试 . - 21 - 6 结论 . - 23 - 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . - 24 - 附录 1 直流电机控制系统实物图 . - 25 - 附录 2 程序代码 . - 26 - - - 1 - - 1 引言 1.1 研究直流电机控制系统的意义 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。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空 航天、医疗卫生、商务与办公设备中，
6、还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机 1。 长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择 。伴随着人们对控制系统的要求越来越高，电机调速成了人们研究的热门课题。 1.2 直流电机控制系统的发展趋势及现状 现在对于普通直流电机的调速已经有了一些比较成熟的方法。 直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法 。 励磁控制法控制磁通 ,其控制功率虽然小 ， 但低速时受到磁饱和的限制 ， 高 速时受到换向火花和换向器结构强度的限制 ， 而且由于励磁线圈电感较大 ， 动态响应较差 ， 所以使用较少
7、 。电枢电压控制法总体上可以分为两种 ， 一种是调节电压 ， 一种是调节电流 。 传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的 ， 这种电路虽然 响应 快 ， 但是灵活性较差 ，维修复杂 。 单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟 。 通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在 。 单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠应用广泛、通用性强等突出优点 2。 电动机的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、永磁材料技术、电动 控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使电机控制技术在近 20 多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控
8、制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。而国外交直流系统数字化已经达到使用阶段 3。 - - 2 - - 2 方案设计 2.1 设计任务 本设计的任务是设计一个直流电机转速的控制系统，并在 LCD 显示器上显示当前电机的转速，并能通过按键调整电机的转速。 2.2 方案分析 直流电动机转速的控制方法可分为两类：励磁控制 法和电枢电压控制法。常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻 R 即可改变端电压，达到调速目的，但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的发展，创新了许多新的电枢电压控制方
9、法。 尤其是 脉宽调制 (PWM)直流调速技术的应用， 使得 直流电机得到广泛应用 4。 2.2.1 基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制系统 图 2-1 基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制系统框架 基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制系统是以 FPGA 芯片为控制核心，通过按键 设定电机速度和 PWM 占空比，由 FPGA 的 I/O 口控制直流电机驱动芯片驱动直流电机的转动。转速的测量由码盘完成，速度显示由数码管来实现。如图 2-1所示。FPGA 转速显示 驱动电路 直流电机 串口通信 键盘控制 转速测量 - - 3 - - 由于 FPGA 具有灵活的编程功能，能实时方便地实
10、现复杂的控制算法，从而提高了控制性能；还可将大量的裸机控制功能和外围接口电路集成在芯片中，进而提高了运动控制器的可靠性和稳定性；同时，因为 FPGA 具有在现场可重构的特性，保证了所设计的电机控制模块具有良好的开放性，也大大方便了系统的设计和调试。所设计的控制模块兼具体积小、使用灵活、实时性强、调速范围宽、可靠性高等优 点 5。 2.2.2 基于单片机的直流电机 PWM 控制系统 如图 2-2所示，就是一个基本的基于单片机 PWM的直流电机控制系统框图。由单片机产生一个 PWM 脉冲来驱动 SPGT62C19B 芯片，进而控制直流电机的转速，并由转速测量装置把电机的转速反馈到单片机并在显示器上
11、显示出来，通过按键控制单机输出的 PWM 脉冲，从而一步一步向预期转速靠近 6。图 2-1 PMW 直流电机控制系统 脉宽调制调速法突破传统的串电阻调速 ,节省了电能。单片机来实现电机调速为电机调 速提供了新的方法。它虽然没有传统的模拟数字电路调速来得反应快 ,但是由单片机搭建的电机调速电路要比使用模拟数字电路简单得多。不仅节约了成本而且单片机灵活性高 ,可以重复编程。当实际的环境条件改变以后 ,可以通过改变程序来实现不同的功能。所以本文所采用的是基于单片机来设计 PWM 直流电机的控制系统。 显示 单片机 PWM 按键 驱动装置 直流电机 转速测量装置 直流电源 - - 4 - - 3 硬件
12、设计 本系统硬件主要由直流电机、电机驱动芯片、速度检测模块、显示模块、按键、主控制模块。 3.1 直流电机 直流电机采用的型号为 310CA，工作电压 3V 12V，在 5V 电压下空载转速约4000 转 /分，空载电流 约 20mA，堵转电流约 300mA (如图 3-1 所示 310CA 直流电机图 )。 图 3-1 310CA 直流电机 3.2 电机驱动芯片 本系统采用 SPGT62C19B 作为电机驱动芯片。 SPGT62C19B 是低电压单片式步进电机驱动器集成电路芯片，可驱动一台两相步进电机，或者两台直流电机。它带有双路 H 桥，可分别驱动两个独立的 PNP 功率管。每一个 H 桥
13、都有各自独立的使用引脚，因此非常适合于需要独立控制的步进电机驱动系统。 SPGT62C19B 输出电压可以达 40v，输出电流可达 750mA,由输入的逻辑电平来决定输出脉冲 的宽- - 5 - - 度及频率，所以由这款芯片组成的电机驱动系统将脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲放大器合为一体，省去了很多外围器件 7。 SPGT62C19B 的内部由两组完全相同的控制电路组成了两路输出通道。其中一路通道的控制电路原理如图 3-2 所示。输入控制信号经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分进行处理并驱动晶体管，最后由 OUT 端口输出驱动信号以控制电机的运行 8。 图 3-2 SPGT62C19B 控
14、制电路原理图 SPGT62C19B 的 6个控制脚有如表 3-1： 引脚 名称 用途 20 I01 通道 1 的电流大小 控制 17 I11 通道 1 的电流大小控制 16 PHASE1 通道 1 的电流方向控制 8 I02 通道 2 的电流大小控制 9 I12 通道 2 的电流大小控制 10 PHASE2 通道 2 的电流方向控制 表 3-1 SPGT62C19B 的 6 个控制脚 以通道 1为例，控制口 I01 与 I11 的不同逻辑组合可使通道 1输出端产生不同大小的电流输出： - - 6 - - I01 逻辑值 I11 逻辑值 输出电流 0 0 Imax 1 0 2/3*Imax 0
15、1 1/3*Imax 1 1 0 表 3-2 通道 1 的电流输出 如上表 3-2 中， Imax 是输出电流的上限值，它与图 3-1 中 Vref 和 Rs 的值有关。其关系式为： Imax = Vref / 10 * Rs ； PHASE1 的逻辑电平值决定了该通道的电流输出方向。 PHASE1 与电流方向的对应关系如表 3-3 所示 : PHASE1 逻辑值 输出电流方向 0 OUT1B-OUT1A 1 OUT1A-OUT1B 表 3-3 PHASE1 与电流方向的对应关系 直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越快。对于直流电机的速度调节 ，可以采用改变电压的方法，也可以采用 PWM 调节方法。 PWM 调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现电机转速的调节 9。 本设计选用的电机驱动芯片 SPGT62C19B 有两个输出通道可以分别控制一台直流电机。这里选择通道 1。设定 PHASE1 的逻辑电平，即可实现电机的正反转控制。而电机调速可以通过不断改变 I01 和 I11 的高低电平状态，使输出通道产生 PWM 波形信号，从而利用 PWM 的占空比来调节电机转速。 图 3-3 输出 PWM 控制直流电机时序
