1、中 国 地 质 大 学 长 城 学 院本 科 毕 业 设 计题 目 PWM 控制的直流电动机调速系统的设计 系 别 信息工程系 学 生 姓 名 专 业 电 气 工 程 及 其 自 动 化学 号 04309139 指 导 教 师 职 称 讲师 2013 年 5 月 20 日PWM 控制的直流电动机调速系统设计摘 要直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有非常好的调速性能，目前，在一
2、些对调速性能要求比较严格的场合中，主要使用的还是直流调速系统。本设计是以单片机 AT89C51 和 L298 控制的直流电机 PWM 调速系统。利用AT89C51 芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及 PWM 的占空比在 LED 上的实时显示。关键词：直流电机； 转速； AT89C51； L298； PWM 调速ABSTRACTDC motor has a good startup performance and speed characteristics, it
3、is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency.Speed is an important physical quantity in the operation of the DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed, and to achie
4、ve in practical work with a very large value in use of the motor speed control. DC motor has very good speed performance, in some occasions more stringent requirements on the speed performance, the main use of the DC speed control system.This design is DC motor PWM speed control system which is base
5、d on single chip microcomputer AT89C51 and L298 to control. Using AT89C51 chip to design the low-cost dc motor control system, which can simplify the system structure, reduce the system cost, enhance the system performance, meet the needs of more applications. System control the move forward, revers
6、e, stop, acceleration and deceleration of the motor, and PWM duty ratio in real-time display on LED. Keywords：DC Motor； Speed； AT89C51； L298； PMW Speed Automatic目 录1 绪论.11.1 研究背景.11.2 国内外发展现状.11.3 设计目的和意义.22 直流电动机调速的概述.42.1 直流电机调速原理.42.2 直流调速系统实现方式.52.3 控制程序设计.53 总体设计方案.73.1 设计思路.73.2 总体设计规划.73.3 系统
7、框架设计.84 系统硬件设计.94.1 系统基本组成.94.1.1 硬件模块组成.94.1.2 单片机整个控制模块.94.2 单片机 AT89C51 简介.94.3 复位电路及时钟电路.114.5 LED 数码管显示 .134.5.1 LED 简介 .134.5.2 LED 数码管和单片机的连接 .144.6 独立键盘控制模块.145 系统的软件设计.165.1 系统软件设计分析.165.2 系统程序设计分析.175.2.1 主程序设计.175.2.2 按键延时程序.195.2.3 中断子程序.195.3PWM 脉宽控制 .205.4 仿真图.215.5 仿真结果分析.21结 论.24参考文献
8、.25致 谢.26附 录.27中国地质大学长城学院 2013 届毕业设计第 0 页 共 33 页1 绪论1.1 研究背景在现代化工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于国防、石油化学、机械、冶金等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和供应量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速
9、等技术已远远不能满足现代科技的要求，这时通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路很容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用 PWM 技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且 PWM 调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济等特点。从而这就要求大量使用 PWM控制的直流调速系统，因此人们对 PWM
10、控制的直流调速系统的研究将会更深一步。1.2 国内外发展现状电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近 30 年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到 70 和 80 年代才先后出现了全控型功率器件 GTO 晶闸管、GTR、POWER-MOSFET 和IGBT 等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来
11、普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或 PWM 变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数 1。直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称 PWM)调速系统基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自
12、动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了脉中国地质大学长城学院 2013 届毕业设计第 1 页 共 33 页宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使 PWM 技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度 2。在国外，PWM 最早应用在军事工业以及空间技术中，它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在风力发电、电机调速、直流供电等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱
13、动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入 21 世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3 设计目的和意义由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。尤其是我国在此领域的现状，再加上 PWM 调速系统的出现，弥补了这个空白，更加提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要地位。对于直流调速系统转速控制的
14、要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动 3。本文设计的直流 PWM 调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率 GTR 为开关器件、H 桥单极式电路为功率放大电路的结构。 PWM 调制部分是在单片机开发平台PROTUES 之上，运用 C 语言编程控制。由定时器来产生固定宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制 H 电路中的 GTR 通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个 PWM 脉冲的产生过
15、程得到了大大的简化。本设计以 AT89C51 单片机为核心，以键盘按键作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了实验性的基本要求。在设计中，采用了 PWM 技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。本文介绍了直流电机的工作原理、脉宽调制（PWM）控制原理和 H 桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用 PROTEUS 软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能
16、，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，用于自动产生中国地质大学长城学院 2013 届毕业设计第 2 页 共 33 页PWM 波；有捕捉功能，用于测频；有 A/D 转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部 ROM 和 RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该设计中 AT89C51 单片机做为控
17、制芯片。通过设计基于 AT89C51 单片机的直流 PWM 调速系统并调试得出结论，在掌握AT89C51 的同时进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。中国地质大学长城学院 2013 届毕业设计第 3 页 共 33 页2 直流电动机调速的概述2.1 直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：（公式 2-1）2/CreTmRaeUn其中：U电压；Ra励磁绕组本身的电阻； 每极磁通(Wb) ；Tem电磁转矩；Ce电势常数；Cr转矩常量。由上式可知，直流电
18、机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，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。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法 4。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图 1 所示：图 1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机
19、的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM 又被称为“开关驱动装置 ”4。中国地质大学长城学院 2013 届毕业设计第 4 页 共 33 页图 2 电枢电压占空比和平均电压的关系图如图 2 所示，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，占空比为 D=t1/T，则电机的平均速度为： =Vmax*D，可见只要改变占空比 D，就可以得到不同的电机速DV度，从而
20、达到调速的目的。2.2 直流调速系统实现方式PWM 为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件 PROTUES 来实现 PWM 调速，在 PWM 调速系统中占空比 D 是一个重要参数在电源电压 不变的情况下，电枢端电压Ud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，其方法如下：A、定宽调频法：保持 不变，只改变 t，这样使周期 (或频率)也随之改变。1tB、调宽调频法：保持 t 不变，只改变 ，这样使周期(或频率)也随之改变。1C、定频调宽法：保持周期 T(或频率)不变，同时改变 和 t。1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
21、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而改变直流电动机电枢两端电压 5。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。2.3 控制程序设计控制程序设计有两种方法：软件延时法和计数法。软件延时法的基本思路是：设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D= /T，则电机的平均速度为1tVa = 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= /T 是指占空比。当我们改变占空比 D= /T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Va,1t 1t从而达到调速的目的。严格来说，平均速度 Va 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。软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据加、减速按钮，调整输出高低电平的占空比，从而可以控制高低中国地质大学长城学院 2013 届毕业设计第 5 页 共 33 页电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。在本设计中 PWM 脉冲调制的控制流程如图 3 所示：图 3 PWM 控制流程
