直流电机调速控制系统设计.docx

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1、（学校名字）计算机控制技术课程设计直流电机调速控制系统设计学生姓名XXX学 号 XXX学院名称XXX专业名称XXX指导教师XXXXX年 XX月 XX日1系统方案设计11.1直流电机调速控制原理说明 11.2直流电机调速控制系统原理图21.2.1 电动机调速系统框图21.2.2调速系统原理图22 系统硬件设计 42.1滑动变阻器的作用与选择42.2 AT89C51 单片机42.2.1 AT89C51单片机功能及引脚说明42.2.2 PWM的输出方式与端口的选择 62.3 PWM功率放大电路82.4电机驱动82.4.1元器件的选择82.4.2电机驱动的原理82.4.3电机驱动的优势92.4.4电机

2、驱动的不足92.5直流电动机92.6速度测量电路原理说明和器件选择 102.7显示电路原理与芯片的选择 11结论13参考文献141系统方案设计1.1直流电机调速控制原理说明图1.1所示电枢电压为Ua,电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra,电机常数K,励磁 磁通量是。直流电机的转速计算公式如下：n=(Ua-laRa)/K 其中Ua为电枢端电压，Ia为电枢电 流，Ra为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。其中，对于极对数p，匝数为N,电枢支路数为a的电机来说：电机常数 K=pN/60a, 意味着电机确定后，该值是不变的。而在 Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致laRa 非常

3、小，所以Ua-IaRa约等于Ua=由此可见我们改变电枢电压时，转速 n即可随之改变， 同时可以看出，转速和Ua、la有关，并且可控量只有这两个，因此我们可以通过调节这两 个量来改变转速。我们知道，公式中的la可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也就是用PWM控制来进行电机转速调节的。通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机 的转速大小。直流电机原理图如下所示：图1.1直流电机原理图1.2直流电机调速控制系统原理图1.2.1电动机调速系统框图图1.2.1电动机调速系统框图其中Ui为给定值，从输入端输入，

4、然后经过功率放大器，带动电动机工作，从而获 得输出端的输出转速 n再由测速机测量电动机的转速，通过比较器进行比较，与所需要 的转速经过比较，看是否满足需要，若不满足，改变给定值的大小。1.2.2调速系统原理图图1.2.2调速系统原理图在图1.2.2的原理中，由计算机进行总控制，滑动变阻器为手动控制系统，由计算机 对单片机AT89C51进行控制，改变输入，使单片机的一个I/O端口作为输出指令端口，产 生PWM控制波形，经过电机驱动带动直流电动机工作，产生的转速经过速度测量装置，再 反馈给单片机最终由显示电路显示，然后根据显示器的显示数值，与所需的输出值进行比 较，若不吻合，则通过调节活动变阻器，

5、改变阻值，最后由单片机再反应给下一阶段，再 重复一开始的步骤，最终达到改变转速的目的2系统硬件设计2.1滑动变阻器的作用与选择滑动变阻器是电路中的一个重要元件，它可以通过移动滑片的位置来改变自身的电 阻，从而起到控制电路的作用。在电路分析中，滑动变阻器既可以作为一个定值电阻，也 可以作为一个变值电阻。在本电路系统中，主要充当改变电阻值，从而改变电动机转速的作用。图2.1分压式滑动变阻器原理图之所以采用分压式滑动变阻器，主要是因为本电路要求待测用电器电流及其两端电 压可变范围较大，这样电动机的调速范围也可以相对较大，能够满足设计需要。2.2 AT89C51 单片机2.2.1 AT89C51单片机

6、功能及引脚说明AT89C51是一种带 4K字节 FLASH存储器(FPEROFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能 CMOS位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一 种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反 复擦除1000次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51旨令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPUffi闪烁存储器组合在单个芯片中， ATME的 AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89

7、C单片机为 很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。引脚排列如图所示。234567813121514311918917161092 34567 二八； 1 1 1 1 1 d DPELP PPPPP(ADO)PO. (AD1)PO.1 (AD2)P0.(AD3)P0. (AD4)P0.3938373635343332P3.3(INT1)P3.2(INT0)(A8)P2.0(A9)P2.1 (A10)P2.：P3.5(T1)(A11)P2.：P3.4(T0)(A12)P2.，AT89C51(A13)P2JEA/VPP(A14)P2.(A15)P2/XTAL1XTAL2VCCGNDRST

8、(RXD)P3.(TXD)P3.P3.7(RD)ALE/PROGP3.6(WR)PSEN(AD5)P0.(AD6)P0.(AD7)P0.212223232526272840201011图2.2 AT89C51引脚图VCC供电电压。GND接地。P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1 口的 管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义 为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时， P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1 口: P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向

9、I/O 口, P1 口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平 时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编 程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4个 TTL门电流，当P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作 为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在 给出地址“ 1”时，它

10、利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制 信号。P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电流。 当P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉 为低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，例如：P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 /INTO （外部中断0）P3.3 /INT1 （外部中断1）P3.4 T0 （

11、记时器0外部输入）P3.5 T1 （记时器1外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执

12、行 MOV，MOV指令是ALE才起作用。另 外，该引脚被略微拉高如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH，不管是 否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET当/EA端保持高电平 时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。2.2.2 PWM的输出方式与端口的选择本实验采用PWM控制，因此需要一个数模转换装置，即 A/D转换器。根据设计分析，选择DAC0

13、832芯片。DAC0832是 8分辨率的D/A转换集成芯片。与 微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。最后在单片机的一个I/O端口设置为PWM输出指令。其指令程序如下：（其中使用了 P10端口输出PWM定义变量pwmvalue为占空比数值，信号频率为 400Hz）#in clude sbit PWM = P1A0;un sig ned char pwmflag = 0;un sig ned char pwmvalue = 0;un sig

14、ned char pwmvalue2 = 0;void Timernit(void);void ma in (void)Timernit();TR0 = 1;PWM = 1;pwmvalue = 9;/占空比90%可由其它函数赋值 while(1);void TimerOntr(void) in terrupt 1pwmflag+;if(pwmflag kgm茸2公14903(W315*LI畀11加12*1井67加0.044+1图2.5直流电动机的技术参数直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为n=(Ua-laRa)/K 式中Ua电枢供电电压(V)；la电枢电流(A)；励磁磁通(Wb ；Ra

15、电枢回路总电阻(Q);可知调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁。由第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机 产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。利用单片机AD转换器输出控制直流电机两端电压，来控制转速。可采用简单的比 例调节器，其公式为：Y=Kp*e(t)其中：e(t)为偏差电压，即输入，Kp为比例系数，丫为输出。比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数成正 比。2.6速度测量电路原理说明和器件选择转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。其单位为 r/min。转速的

16、测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔 元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。如下图所示，为速度测量电路的原理图：VCC图2.6转速测量原理图霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为I、b、d。若在垂直于薄片平面(沿厚度 d)方向施加外加磁场B,在沿I方向的两个端面加以外电场， 则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将受到一个洛仑磁力，其大小为：fl=qVB式中：fl 洛仑磁力，q载流子电荷，V载流子运动速度，B磁感应强 度。这样使电子的运动轨迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或 电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个

17、侧面间的电位差称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH = R hX I x B/d(mV)式中：Rh-霍尔常数，d-元件厚度，B-磁感应强度，I-控制电流设 Kh = R H /d ，贝U UH = K hX I x B (mV)其中，Kh为霍尔器件的灵敏系数（mV/mA/T）,它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和单 位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理， 可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟 着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴

18、旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生 的磁场影响，故输出脉冲信号，其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出 转速。2.7显示电路原理与芯片的选择显示电路采用74LS164串入并出的移位寄存器给出串行口扩展的3位L ED显示接口电路，如图2.7所示，分别为74LS164寄存器的引脚图和功能图：DSA VwZU vccDSB Fth Q?QC |T7T| jr01 Z164刃QfQ2 EQ3 |TV| MR-GN3叵ZO CP74LS功能图和74LS164引聃图心图2.7.1 74LS164寄存器的引脚图和功能图74LS164为串入并出的8位移位寄存器，其主要电特性的典型值如下： 54/741

19、64185mW54/74LS164 80mW当清除端（CLEAR为低电平时，输出端（QA-QH均为低电平。串行数据输入端（A， B）可控制数据。当A、B任意一个为 低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK脉 冲上升沿作用下 Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并 在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。引脚说明：符号引脚说明DSA1数据输入DSB2数据输入Q0Q336输出GND7接地(0 V)CP8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）/M/R9中央复位输入（低电平有效）Q4Q71013输出VCC14正电源R a+5V+5VRVccPO.OEAP0.1P0.2P0.

20、3X1P0.4AT89C51P0.5X2P0.6P0.7RSTP2.0P2.1P2.2VssP2.3P2.4dpbcdegV4V3V2V1VO.T4I7. T31Vid T1iTOL1+JTCZFR图2.7显示电路结论在本设计中，因为采用了 PWM控制，所以具有PWM控制的特点：在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点 ，可以大幅度降低成本和功耗。同时，系统的响应速度和稳定精度等指标比较好；电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作 ；系统的调速范围宽；使用 元件少、线路简单。总而言之就是：操作简单，成本低，可控性好，系统的随动性能优秀，唯一不足的是 对驱动电路的要求比较高。参考文献1 戴文进电机与拖动清华大学出版社.20082 高玉芹单片机原理与应用及 C51编程技术机械工业出版社.2011.3 陈伯时电力拖动自动控制系统机械工业出版社.2012.4 陈益飞.计算机控制技术.国防工业出版社，2012. 夏长亮.无刷直流电机控制系统.科学出版社，2009.