基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)

1、第 20 頁(yè) 共 20 頁(yè)基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的直流電機(jī)控制系統(tǒng)作者： 指導(dǎo)老師： （XXXXXXX大學(xué)工學(xué)院 電氣工程及自動(dòng)化 XX 230036）摘要：直流電機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。在各類機(jī)電系統(tǒng)中，由于直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面。論文主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的意義、基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速方法和PWM基本工作原理以及實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。主電路主要采用兩個(gè)小按鍵控制STC90C51單片機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)并產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，然后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)小型直流電

2、機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)按鍵的調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)控制直流電機(jī)的速度。最后在軟件方面，介紹了主程序和PWM信號(hào)發(fā)生程序的編寫思路以及具體的程序?qū)崿F(xiàn)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速 單片機(jī) 脈寬調(diào)制1 引言1.1 課題研究的背景直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī)，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通、機(jī)械、化工、航空等領(lǐng)域中。早期的直流電機(jī)控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器，非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活，調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的周期和寬度以達(dá)到變壓目的，或控制電壓脈沖的

3、周期和寬度以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。近年來(lái)，電氣傳動(dòng)的PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。隨著近代電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，單片機(jī)成為了直流電機(jī)調(diào)速不可或缺的部分之一。單片機(jī)具有體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，電機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要設(shè)備，因此要求其具有較好的能量轉(zhuǎn)換效率和能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。電機(jī)調(diào)速性能對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著決定性的影響。所以，電機(jī)調(diào)速一直是研究的熱點(diǎn)。1.2 課題研究的目的及意義直流電機(jī)具有良好

4、的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，雖然各種類型的電機(jī)層出不窮，然而在自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子儀器設(shè)備等方面，直流電機(jī)的應(yīng)用還是占有突出地位。直流電機(jī)調(diào)速平滑，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，抗沖擊負(fù)載能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)、加/減速和正/反轉(zhuǎn)。PWM 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)擁有需用的功率元件少、線路簡(jiǎn)單、控制方便、開關(guān)頻率高、低速性能好、穩(wěn)速精度高及調(diào)速范圍寬、控制方式多樣化、能與數(shù)字速度給定信號(hào)直接接口等優(yōu)點(diǎn)，在工廠企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本課題是以單片機(jī)為主要控制核心，針對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能解決問(wèn)題的本領(lǐng)，鞏固和加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解；培養(yǎng)我們調(diào)查

5、研究的習(xí)慣和工作能力。1.3 國(guó)內(nèi)外電機(jī)控制的研究現(xiàn)狀及發(fā)展隨著PWM技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制方向發(fā)展。目前我國(guó)大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置還是依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國(guó)產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間，所以國(guó)內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。1.4 PWM變頻調(diào)速發(fā)展前景PWM變頻調(diào)速作為一項(xiàng)新的調(diào)速技術(shù)，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。目前，不論在同步電機(jī)調(diào)速方面，還是異步電機(jī)調(diào)速方面，PWM變頻調(diào)速是眾多交流調(diào)速方式的佼佼者?，F(xiàn)代的變頻器采用了通信技術(shù)領(lǐng)域中的脈寬調(diào)制技術(shù)，具體一點(diǎn)就是應(yīng)用了采樣控制理論中的一個(gè)重要理論，沖量

6、相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。PWM變頻調(diào)速技術(shù)頻調(diào)速靈活。調(diào)速的范圍寬，在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)恒力矩輸出，是一種相當(dāng)適合電梯使用的調(diào)速方式，而且其本身的技術(shù)也在不斷的革新中。隨著PWM技術(shù)的不斷改進(jìn)，它的應(yīng)用的范圍也將不斷的擴(kuò)展。1.5 課題研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)根據(jù)直流電機(jī)調(diào)速的控制要求確定整體的設(shè)計(jì)方案，完成單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)用軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)，并且通過(guò)單片機(jī)對(duì)信號(hào)傳輸達(dá)到對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)和停止，加速和減速的控制。該系統(tǒng)主要由輸入設(shè)備、單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成。主要內(nèi)容具體描述如下：1）輸入設(shè)備的選擇：與矩陣鍵

7、盤相比獨(dú)立鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立鍵盤給單片機(jī)輸入信號(hào)；2）單片機(jī)的選型：MCS-51系列單片機(jī)有多種型號(hào)，其中STC90C51不僅兼容8051，還具有ISP編程和看門狗功能，這里選用單片機(jī)STC90C51作為控制核心；3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)：利用H橋式驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，制動(dòng)的功能，作為半導(dǎo)體器件的三極管、二極管在應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，而且其性能比較穩(wěn)定可靠，所以用半導(dǎo)體電路作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。2 總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1.1 設(shè)計(jì)思路單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速和正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及啟動(dòng)、停止的控制，能夠很方便地

8、實(shí)現(xiàn)電機(jī)智能控制。系統(tǒng)的主體電路是直流電機(jī)PWM控制模塊。這部分電路主要由STC90C51單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等來(lái)控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的智能控制。該系統(tǒng)是通過(guò)STC90C51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制直流電機(jī)的工作。該單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要是由以下幾個(gè)電路模塊組成：輸入模塊：這一部分主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)、停止控制。控制模塊：主要由STC90C51單片機(jī)的外部擴(kuò)展電路組成。直流電機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)部分主

9、要由一些二極管、電機(jī)和晶體管組成。2.1.2 總體方案比較與選擇方案一：直接加直流電源來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度：根據(jù)電機(jī)在其額定電壓時(shí)，電機(jī)有一定的額定轉(zhuǎn)速。那么如果其輸入電壓減小，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度也相應(yīng)地減小。在傳統(tǒng)的改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速中，就是利用所給電機(jī)的電壓的不同，從而達(dá)到人們所需的轉(zhuǎn)速。方案二：以單片機(jī)STC90C51為中心，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，將單片機(jī)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而起到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速問(wèn)題。其中在單片機(jī)控制部分通過(guò)按鍵直接從程序中調(diào)出所需的速度值。電路組成框圖如圖1所示。方案三：采用STC90C51單片機(jī)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)需要使用的軟件資源比較簡(jiǎn)單，只需完成驅(qū)動(dòng)電路部分和鍵盤控制部分。采用ST

10、C90C51進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單、易控制、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、精度高且體積大大減小。STC90C51是STC在2003年推出的新型單片機(jī)品種。STC90C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)含4K Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，所以STC的STC90C51是一種高效微控制器。STC90C51單片機(jī)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路鍵盤圖1 電路組成框

11、圖方案分析：方案一只能以減小所給電壓值而能使電機(jī)的轉(zhuǎn)速有相應(yīng)地減小，此方案操作性差且不安全。方案二不能及時(shí)地從電機(jī)那里得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，而是直接從程序那兒調(diào)用相應(yīng)的數(shù)值給數(shù)碼管顯示。所以，此處的電路在速度的顯示上失去了其真實(shí)性。方案三在可操作性與實(shí)時(shí)性方面都結(jié)合了本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，從控制理論與控制技術(shù)出發(fā)，充分發(fā)揮與應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的特點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)采用方案三。2.2 直流電機(jī)調(diào)速原理分析直流電機(jī)結(jié)構(gòu)多樣，但不論什么樣的直流電機(jī)都由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成的。其中定子由主磁極、換向磁極、機(jī)座等幾部分組成；轉(zhuǎn)子主要由：電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成。常見直流電機(jī)外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。直流電機(jī)按勵(lì)磁方式的

12、不同可分為：他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)電機(jī)四種。不同勵(lì)磁方式，直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線也不同。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)人為機(jī)械特性方程式為： （2-1）式中：是電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為；是轉(zhuǎn)速差；是電樞供電電壓（V）；是電樞回路總電阻（）；是勵(lì)磁磁通（Wb）；是電勢(shì)系數(shù)；轉(zhuǎn)矩系數(shù)。由式（2-1）可以看出，改變電樞電阻、電樞電壓和勵(lì)磁磁通中的任何一個(gè)都可以使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，所以直流電機(jī)調(diào)速方法有以上三種：改變電樞電阻、改變電樞電壓和改變勵(lì)磁磁通。但是利用改變電樞電壓調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速穩(wěn)定，調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn)。故本設(shè)計(jì)采用改變電樞電壓來(lái)進(jìn)行調(diào)速。圖2 直流電機(jī)外形和結(jié)構(gòu)示意圖2.3 PWM調(diào)速原

13、理分析PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，控制電壓脈沖的寬度或周期以達(dá)到變壓或變頻的一種控制技術(shù)。下面簡(jiǎn)述一下PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。圖3給出PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其輸出波形。（a） （b）圖3 PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理電路及其波形假設(shè)V1先導(dǎo)通T1秒，然后又關(guān)斷T2秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖2-3（b）的波形圖，可以得到電機(jī)電樞端的平均電壓。如果，可定義為占空比。假定輸入電壓不變，越大，則電機(jī)電壓就越大，反之也成立。所以改變就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。改變有三種方法：第一種就是T1保持不變，使T2在0到之間變化，這叫定寬調(diào)頻法；第二種就是T2不變，使

14、T1在0到之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻法；第三種就是T保持一定，使T1在0到T間變化，這叫定頻調(diào)寬法。本設(shè)計(jì)采用的是定頻調(diào)寬法，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，并且在產(chǎn)生PWM脈沖實(shí)現(xiàn)上更方便。2.4 輸入模塊方案的比較與選擇鍵盤是計(jì)算機(jī)不可缺少的輸入設(shè)備之一，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的紐帶，借助鍵盤可以向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入程序、置數(shù)、送操作命令、控制程序的執(zhí)行走向等。在本設(shè)計(jì)中，使用者可通過(guò)鍵盤對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和制動(dòng)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、加速和減速控制。在電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中常用的有獨(dú)立式鍵盤和矩陣鍵盤，本節(jié)主要針對(duì)鍵盤來(lái)進(jìn)行介紹和選擇。 圖4 按鍵電路獨(dú)立式鍵盤指直接用I/O接口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I

15、/O接口線，每根I/O接口線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它I/O接口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立鍵盤如圖2-5所示。獨(dú)立式鍵盤按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是每個(gè)獨(dú)立鍵盤都占用一個(gè)I/O接口，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，浪費(fèi)I/O接口，所以其只適用在按鍵數(shù)量不多的系統(tǒng)中。2.5 系統(tǒng)硬件組成本設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)主要是由：?jiǎn)纹瑱C(jī)、驅(qū)動(dòng)電路、直流電機(jī)、接口電路、鍵盤等部分組成。硬件電路組成框圖如圖5所示：STC90C51單片機(jī)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路鍵盤 圖5 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)硬件本設(shè)計(jì)由單片機(jī)STC90C51接受鍵盤的信號(hào)并通過(guò)計(jì)算占空比產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)輸出和控制信號(hào)輸出。在直流電機(jī)中安裝霍爾開關(guān)傳感器，把速度信號(hào)傳送到ST

16、C90C51，STC90C51進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)算出直流電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速，并送LED顯示。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本章將基于上一章為基礎(chǔ)對(duì)硬件系統(tǒng)各部分作進(jìn)一步分析，并且對(duì)硬件各部分電路加以呈現(xiàn)和分析。本系統(tǒng)控制對(duì)象是55LCX-1永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1。針對(duì)要求分別對(duì)電源、PWM波形產(chǎn)生部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、鍵盤輸入部分及測(cè)速顯示部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體電路設(shè)計(jì)圖見附錄A。表1 55LCX-1主要技術(shù)指標(biāo)55LCX-1 峰值堵轉(zhuǎn) 連續(xù)堵轉(zhuǎn)最大空載轉(zhuǎn)速r/min轉(zhuǎn)矩Nm電流A電壓V轉(zhuǎn)矩Nm電流A電壓V0.424.2270.141.492000

17、3.1 STC90C516RD+單片機(jī)主控模塊單片機(jī)的主控模塊如圖2，它以單片機(jī)STC90C516RD+為核心，STC90C516RD+系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051系列單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其主要性能特點(diǎn)如下：增強(qiáng)型8051CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；工作電壓：5.5V-3.5V；工作頻率范圍：0-35MHz，相當(dāng)于普通8051的0-420MHz；用戶應(yīng)用程序空間64K字節(jié)；片上集成256字節(jié)RAM；通用I/O口（32個(gè)），復(fù)

18、位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）；可設(shè)置成4種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均能達(dá)到20mA,但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)120mA；ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載應(yīng)用程序，數(shù)秒即可完成一片；有EEPROM功能；看門狗；具備雙串口；工作溫度范圍：-40 - +85oC（工業(yè)級(jí)），0 75oC（商業(yè)級(jí)）；40管腳封裝。由圖6可知，單片機(jī)的18和19管腳接時(shí)鐘電路，19管腳接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，18管腳接

19、外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，9引腳是復(fù)位輸入端，接上電容、電阻及開關(guān)后構(gòu)成上電復(fù)位電路。31管腳，當(dāng)只訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)該管腳直接接高電平。端口P0，P1，P2，P3為單片機(jī)的輸入和輸出端口，特別的當(dāng)P0輸出高電平時(shí)，必須接上拉電阻。其中P0端口可以做8位的數(shù)據(jù)總線和地址總線，P2端口可以作為8位的地址總線。P3端口還可以作為中斷的輸入端口復(fù)用。29引腳為程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端，當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此引腳輸出的低電平作為讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。30引腳ALE，為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作時(shí)，ALE引腳不斷地輸出正脈沖信號(hào)。圖6 主

20、控制器 STC90C516RD+3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所采用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由圖7所示。對(duì)于圖7所示電路：當(dāng)DIR為低電平時(shí)，Q1，Q5截止，Q3導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)左端呈現(xiàn)高電平；當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Q2，Q6導(dǎo)通，Q4截止，電動(dòng)機(jī)右端呈現(xiàn)低電平，因此，在DIR為低電平，PWM為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。反之，當(dāng)DIR為高電平時(shí)，Q1，Q5導(dǎo)通，Q3截止，電動(dòng)機(jī)左端呈現(xiàn)低電平；當(dāng)PWM為低電平時(shí)，Q2，Q6截止，Q4導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)右端呈現(xiàn)高電平，因此，在DIR為高電平，PWM為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)DIR和PWM同時(shí)為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端均為高電平，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣，當(dāng)DIR和PWM

21、同時(shí)為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端均為低電平，電動(dòng)機(jī)也停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣既可對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。 圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3 PWM波形發(fā)生原理本設(shè)計(jì)中PWM波形是用STC90C51單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的，這部分硬件比較少，主要保證AT89S51正常工作的最小模式就行了，STC90C51的P3.7引腳作為PWM波的輸出口。產(chǎn)生的PWM波形如圖8所示。 圖8 PWM波形圖3.4 鍵盤部分設(shè)計(jì)前面已經(jīng)介紹了選用獨(dú)立式鍵盤作為該系統(tǒng)的輸入設(shè)備，S1、S2、S3和S4分別控制電機(jī)的啟停、方向、加速和減速，其與單片機(jī)的接口電路如圖9所示。 圖9 鍵盤輸入電路3.5 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路圖10 時(shí)鐘電路圖11 復(fù)位電路單片機(jī)

22、的每個(gè)功能部件都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)的，不僅時(shí)鐘頻率影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，時(shí)鐘電路如圖10所示。本設(shè)計(jì)采用12MHZ晶振，外接電容C1和C2選用30pF。外接電容會(huì)影響振蕩器的頻率高低、穩(wěn)定性和起振的快速性，晶振頻率越高即系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也越快。當(dāng)單片機(jī)芯片和時(shí)鐘系統(tǒng)正常工作時(shí)，用外用表可測(cè)出晶振腳XTAL1和XTAL2的電壓分別為2.24V和2.09V。復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，不僅可以正常工作時(shí)初始化，也可在發(fā)生故障時(shí)初始化，以擺脫困境，復(fù)位電路如圖11所示。單片機(jī)的復(fù)位電路剛通電時(shí)，開始電容內(nèi)沒(méi)有電，通電后5V電壓給電解電容充電

23、，電容兩端電壓逐漸升至4V左右，復(fù)位由低電平變?yōu)楦唠娖?。?dāng)復(fù)位鍵按下時(shí)，C3開始發(fā)電，則電容兩端電壓又恢復(fù)至0V，這就是進(jìn)行了一次手動(dòng)復(fù)位。3.6 電源模塊 電源模塊為系統(tǒng)板上其它模塊提供5V電源，電源輸入有兩種方式，一種為交直流電源從電源插座輸入，輸入的電壓要求，直流輸入應(yīng)大于7.5V，交流輸入應(yīng)大于5V，通過(guò)7805三端穩(wěn)壓器得到5V的直流電源供給系統(tǒng)其它模塊工作，另一種為從USB接口獲取5V電源，只要用相應(yīng)配套的USB線從電腦主機(jī)獲取5V直流電源。圖12 電源模塊4 電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)C語(yǔ)言作為一種非常方便的語(yǔ)言而得到廣泛的支持，很多硬件開發(fā)都用C語(yǔ)言編程，如各種單片機(jī)、DSP、AR

24、M等等。程序入口數(shù)據(jù)初始化選擇初始方向和初始速度N按鍵閉合YNS1 ?NS2 ?停止YNS3 ?全速、取正向S4 ?YN加速Y減速返回圖13 鍵盤子程序流程圖C語(yǔ)言程序本身不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改或僅做簡(jiǎn)單的修改就可將程序從不同的系統(tǒng)移植過(guò)來(lái)直接使用。C語(yǔ)言提供了很多數(shù)學(xué)函數(shù)并支持浮點(diǎn)運(yùn)算，開發(fā)效率高，可極大地縮短開發(fā)時(shí)間，增加程序可讀性和可維護(hù)性。在設(shè)計(jì)編程時(shí)要盡量向結(jié)構(gòu)化、模塊化方向編寫，整個(gè)程序清單見附錄。本章將對(duì)單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的程序做具體分析。相對(duì)應(yīng)用硬件實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)，用軟件實(shí)現(xiàn)具有成本低，限制少，實(shí)現(xiàn)便捷等優(yōu)點(diǎn)。但是實(shí)現(xiàn)高性能的軟件PWM，也不是容易

25、的事情。軟件PWM的最大難題是死區(qū)的大小，就是PWM的最少分辨時(shí)間；其次是程序的效率問(wèn)題。用軟件實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)，常用兩種方法：一種是用定時(shí)器控制PWM輸出，此種方法死區(qū)時(shí)間最少占5個(gè)指令周期，分辨率比較低。第二種是應(yīng)用指令延時(shí)實(shí)現(xiàn)PWM的輸出，此種方法的分辨率可以達(dá)到一個(gè)指令周期，但是程序較為復(fù)雜，而且占用機(jī)時(shí)比較多。理論上，把這兩種方法結(jié)合起來(lái)，根據(jù)不同的占空比，采用相應(yīng)合適的方式可以比較好的解決死區(qū)與效率的問(wèn)題。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)只需用到4個(gè)鍵，所以選用獨(dú)立式鍵盤，這點(diǎn)在第二章已經(jīng)有詳細(xì)的分析了。這里用到的獨(dú)立式鍵盤一共就由4個(gè)鍵組成，分別控制直流電機(jī)的停止，全速、取正向，加速和減速。本設(shè)計(jì)采用的

26、STC9051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件方法模擬輸出PWM波形，具體流程圖見下圖14。入口PWM信號(hào)為高電平延時(shí)PWM信號(hào)為高電平延時(shí)圖14 PWM程序流程圖圖14就是用延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出的流程圖。在本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用單片機(jī)每50個(gè)機(jī)器周期為PWM波形的基本周期（STC90C51采用12MHz的晶振，即PWM波形的周期為100uS，其頻率為10KHz），采用定頻調(diào)寬的方法。定時(shí)器T0確定PWM波的頻率，T1確定高電平的時(shí)間，這樣改變T1的初值就可以改變占空比。詳細(xì)程序見附錄。5 實(shí)物焊接“錫接走線法”，這是直接借助焊錫把各焊盤節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)的一種走線方式，其有著線路清晰、工藝美觀、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。不

27、過(guò)假如是直接用焊錫連接相鄰焊盤的話，會(huì)比較浪費(fèi)焊錫，而且對(duì)焊錫質(zhì)量以及個(gè)人焊接工藝都要求較高。在錫接走線之前可以先考慮好整個(gè)電路的布局，電源部分盡量放到一起，單片機(jī)最小系統(tǒng)放在實(shí)驗(yàn)板的中間，這樣擴(kuò)展電路方便一些。先用水筆畫出走線圖，當(dāng)確定無(wú)誤再用錫過(guò)線。焊接的時(shí)候單片機(jī)不要插在 IC座上，先焊好 IC座當(dāng)電路全部完成后再上芯片。單片機(jī) IC座的下面是一個(gè)不錯(cuò)的樓盤，一些占地方而又很重要的元器件可以擠一擠放到下面去，外表美觀又保護(hù)了這些元器件，如圖所示。圖15 錫接走線法示例圖16 實(shí)物圖結(jié) 論在該設(shè)計(jì)中我選用了STC90C51單片機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了用軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)，并且通過(guò)單片機(jī)將信號(hào)傳輸給電

28、機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小型直流電機(jī)的啟停、方向、加速和減速的控制。與以往的模擬測(cè)速相比較，這種方法不僅精度高，而且安全穩(wěn)定，維護(hù)方便。通過(guò)幾個(gè)月的努力，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲。這段時(shí)間通過(guò)查閱相關(guān)資料了解了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，熟悉了單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，且將這幾年所學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)化、理論化、實(shí)用化。因?yàn)闀r(shí)間和個(gè)人水平限制，該設(shè)計(jì)仍然存在著不足，不是很完善，例如：測(cè)速所選用的方法范圍狹隘，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度都有待提高。致 謝本論文是在我的指導(dǎo)老師吳老師的悉心指導(dǎo)下完成的，她不僅嚴(yán)格要求我學(xué)習(xí)，還不斷激勵(lì)我進(jìn)取，培養(yǎng)我形成良好的科研作風(fēng)。在此我衷心地感謝吳老師，在她的精心指導(dǎo)和幫助下，我對(duì)直流電

29、機(jī)的脈寬調(diào)制有了新的認(rèn)識(shí)，并完成了基于單片機(jī)控制的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。吳老師對(duì)待工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，使我受益匪淺。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作的完成與大學(xué)四年中各位老師對(duì)我的教導(dǎo)和關(guān)懷也是密不可分。機(jī)電工程系各位老師對(duì)科研一絲不茍和對(duì)教書育人理念認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，讓我永久受益。在此，對(duì)機(jī)電工程系的各位教師致以崇高的敬意。最后對(duì)各位專家、老師審閱我的論文深表感謝，并渴望給予批評(píng)指正。參 考 文 獻(xiàn)1 黃友銳.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社,2006.10.2 彭偉.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例基于8051+proteus仿真M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.3 童詩(shī)

30、白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2003.4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:高等教育出版社，2003.5 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.6 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.7 李素娟，蔣維安.基于51單片機(jī)多通道直流電機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)J.測(cè)控技術(shù)， 2010，39（6）：30-32、1298 Shyu JL,Liang T J and Chen J F.Digitally-controlled PWM inverter modulated by multi-random technique wi

31、th fixed switching frequencyJ. IEE proc-Electr.power APpl.,Jan.2001,148(1):62-689 G.Edward Suh, Charles WODonnell， Srinivas Devadas， Aegis：a single-chip secure processor, IEEE Design and Test of Computers2008，24（6）57058010 Mt. Prospect.MCS 51 Family of Microcontrollers Architectural Overview. Septem

32、ber 1993Title The DC Motor Speed Control System Based On Single ChipAbstractThe DC motor is a kind of motors which was the first invented and applied by human. Along with the development of the ages, the numerical electronics technique has been already made widely available to our life, work, resear

33、ch, each realm. In all kinds of mechanical of speed, due to the DC motor has a good start, brake and the performance of speed, DC motor control system has been widely used in industry, space flight,etc.This paper introduces the significance of a speed governing system of DC motor, a kind of method of DC motor speed modification, based on PWM theory