1、11继续教育学院 毕业设计（论文）题 目： 直流电机控制系统的设计 专业名称： 机电一体化 学 号： 017115110015 学生姓名： 陈佳宇 指导教师： 蒋萍萍老师 122目 录1.绪论 .41.1 直流电机调速系统的研究意义 .41.2 直流电机调速的发展趋势 .41.3 本文研究的内容 .52.直流调速系统的硬件设计 .52.1 设计方案综述 .52.1.1 H 桥驱动电路设计方案 .62.1.2 调速设计方案 .72.2 硬件设计 .72.2.1 电源电路 .72.2.2 H 桥驱动电路 .82.2.3 基于霍尔传感器的测速模块 .82.2.4 LCD 显示模块 .93.直流调速系
2、统的软件设计 .103.1 PWM 技术简介 .103.1.1 PWM 介绍 .103.1.2 PWM 控制的基本原理 .103.1.3 PWM 调速原理 .113.2 调节器设计 .133.2.1 电流调节器设计 .133.2.2 速度调节器的设计 .143.3 软件设计 .163.3.1 系统总控制流程图及说明 .163.3.2 PWM 波软件设计 .173.3.3 测速软件设计 .204. 基于 matlab 的仿真分析 .214.1 仿真步骤 .214.2 仿真分析 .235.总结 .26参考文献 .27133摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范
3、围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由 51 单片机、电源、H 桥驱动电路、LCD 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用 78 系列芯片实现+5V、+15V 对电机的调速采用 PWM 波方式，PWM 是脉冲宽度调制，通过 51 单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LCD 实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过 51 单片机对 1 秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。关键字：直流电机调速；H 桥驱动电路；LCD 显示器；
4、51 单片机41.绪论1.1 直流电机调速系统的研究意义三十多年来，直流电机调速系统经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机一电动机机组及水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。直流调速技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电机拖动领域中一直居于垄断地位。数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。(1)提高了调速性能由于测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了
5、调速范围，提高了速度控制的精度。另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制性能得到提高。(2)提高了运行的可靠性硬件高度集成化，零部件数量和触点减少，很多功能由软件来完成，采用单片机控制的电力拖动系统的故障率比模拟系统小。另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件变化的影响，没有工作点的温漂等问题，所以运行的可靠性高。(3)易于维修由于单片机可以与计算机相连，而计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，
6、维修周期变短。1.2 直流电机调速的发展趋势(1)国外发展概况随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机数字控制调速系统的研究也在不断的发展和完善。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实5现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，有的提出了内模控制的算法；有的提出了用 I-P 控制器取代 PI 调节器的方法；有的提出了自适应 PID 算法和模糊 PID 算法等。(2)国内发展概况目前，国内各大专院校、科研单位和厂家都在开发数字直流调速装置。因此国内调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中，对电机调速系统方面
7、的研究投入将高达 500 亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。基于目前国内外的研究状况，本设计主要研究的是用数字化调速系统代替传统的模拟调速系统。虽然本设计研究的调速系统无法与国外先进的调速系统相比拟，但相对国内的现状，本设计研究还是具有一定的实用价值的。1.3 本文研究的内容该系统以 89C51 单片机为核心，用 PWM 实现直流电机调速。以小直流电机为控制对象，可以实现电机的启制动，正反转，速度调节。通过单片机外围的键盘按键实现速度、转向调节，并在 LCD 上实时显示相关参数。2.直流调速系统的硬件设计2.1 设计方案综述采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路（图 2.
8、1） 。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的 PWM 调速技术 4。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生 PWM 脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。6图 2.1 PWM 波调速电路其结构图如图 2.2 所示：图 2.2 电机调速系统框图本方案特点：调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大。2.1.1 H 桥驱
9、动电路设计方案H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机，如图 2-4 所示。图 2.4 H 桥驱动电路7要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 2-5 所示，当 Q1 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经 Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图 2.5 H 桥驱动电机顺时针转动图 2-6 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管 Q2
10、和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图 2.6 H 桥驱动电机逆时针转动2.1.2 调速设计方案调速采用 PWM 脉宽调制。工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。2.2 硬件设计2.2.1 电源电路电源电路采用 78 系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图 2.7： IC 采用集成稳压器 7805 和 7815，C2、C3、C5、C6 分别为输入端和输出端滤波电容，稳压二极管 D1 串接在 7805 稳压器 2 脚与地之间，可使输出电压 U 得到一定的提高，8输出电压 U 为 7805 稳压器输出电压与
11、稳压二极管 D1 稳压值之和。D2 是输出保护二极管，一旦输出电压低于 D1 稳压值时，D2 导通，将输出电流旁路。图 2.7 78 系列的电源电路2.2.2 H 桥驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用 H 桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用 H 桥驱动。直流电机控制使用 H 桥驱动电路（图 2.8） ，当 PWM1 为低电平,通过对 PWM2 输出占空比不同的矩形波使三极管 Q1、Q6 同时导通 Q5 截止，从而实
12、现电机正向转动以及转速的控制；同理，当 PWM2 为高电平,通过对 PWM1 输出占空比不同的矩形波使三极管 Q1、Q6 同时导通，Q6 截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。图 2.8 H 桥的电机驱动电路2.2.3 基于霍尔传感器的测速模块霍尔传感器的电路原理如图 2.9 所示。当电流流过霍尔传感器时，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电9压 V 精确的反映原边电流。图 2.9 霍尔传感器的测速电路2.2.4 LCD 显示模块（1）1602 芯片介绍1602 液 晶 模 块 内 部 的 字 符 发 生 存 储 器 （ CGROM)已 经 存 储 了
13、 160 个 不 同的 点 阵 字 符 图 形 ， 这 些 字 符 有 ： 阿 拉 伯 数 字 、 英 文 字 母 的 大 小 写 、 常 用 的 符号 、 和 日 文 假 名 等 ， 每 一 个 字 符 都 有 一 个 固 定 的 代 码 ， 比 如 大 写 的 英 文 字 母“A”的 代 码 是 01000001B（ 41H） ， 显 示 时 模 块 把 地 址 41H 中 的 点 阵 字 符图 形 显 示 出 来 ， 我 们 就 能 看 到 字 母 “A”。 因 为 1602 识 别 的 是 ASCII 码 ，试 验 可 以 用 ASCII 码 直 接 赋 值 ， 在 单 片 机 编 程
14、 中 还 可 以 用 字 符 型 常 量 或 变 量赋 值 ， 如 A。 1602 采 用 标 准 的 16 脚 接 口 ， 其 中 ：第 1 脚 ： VSS 为 电 源 地第 2 脚 ： VDD 接 5V 电 源 正 极第 3 脚 ： V0 为 液 晶 显 示 器 对 比 度 调 整 端 ， 接 正 电 源 时 对 比 度 最 弱 ， 接 地电 源 时 对 比 度 最 高 （ 对 比 度 过 高 时 会 产 生 “鬼 影 ”， 使 用 时 可 以 通 过 一 个10K 的 电 位 器 调 整 对 比 度 ） 。第 4 脚 ： RS 为 寄 存 器 选 择 ， 高 电 平 1 时 选 择 数
15、据 寄 存 器 、 低 电 平 0 时选 择 指 令 寄 存 器 。第 5 脚 ： RW 为 读 写 信 号 线 ， 高 电 平 (1)时 进 行 读 操 作 ， 低 电 平 (0)时 进行 写 操 作 。第 6 脚 ： E(或 EN)端 为 使 能 (enable)端 。第 7 14 脚 ： D0 D7 为 8 位 双 向 数 据 端 。第 15 16 脚 ： 空 脚 或 背 灯 电 源 。 15 脚 背 光 正 极 ， 16 脚 背 光 负 极 。10（2）电路原理图图 2.10 LCD 显示电路3.直流调速系统的软件设计3.1 PWM 技术简介3.1.1 PWM 介绍脉冲宽度调制是利用微
16、处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等许多领域。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。PWM 的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点。 3.1.2 PWM 控制的基本原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低
