直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、XX大學課 程 設(shè) 計（論文）題目 直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計 班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 沈陽航空航天大學課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課 程 名 稱 專業(yè)基礎(chǔ)課程設(shè)計 院（系） 自動化學院 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班級 學號 姓名 課程設(shè)計題目 直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計 課程設(shè)計時間: 2012年 7 月 9 日至2012年 7 月 20 日課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：1.內(nèi)容利用51單片機開發(fā)板設(shè)計并制作一個直流電機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動、停止、加速、減速等。2.要求（1） 掌握直流電機的工作原理及編程方法。（2） 掌握直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計方法。（3） 制定設(shè)計

2、方案，繪制系統(tǒng)工作框圖，給出系統(tǒng)電路原理圖。（4） 用匯編或C語言進行程序設(shè)計與調(diào)試。（5）完成系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。（6）撰寫一篇7000字左右的課程設(shè)計報告。指導(dǎo)教師 年 月 日負責教師 年 月 日學生簽字 年 月 日目 錄0 前言11 總體方案設(shè)計21.1 系統(tǒng)方案21.2 系統(tǒng)構(gòu)成21.3 電路工作原理21.4 方案選擇32 硬件電路設(shè)計32.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計32.2 單片機AT89C5232.3 復(fù)位電路和時鐘電路42.4 直流電機驅(qū)動電路設(shè)計42.5 鍵盤電路設(shè)計43軟件設(shè)計53.1 應(yīng)用軟件的編制和調(diào)試53.2 程序總體設(shè)計53.3 仿真圖形74 調(diào)試分析95 結(jié)論及進一步設(shè)

3、想9參考文獻10課設(shè)體會11附錄1 電路原理圖12附錄2 程序清單13 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計XXX XX大學自動化學院摘要：本篇論文介紹了基于單片機的直流電機PWN調(diào)速的基本辦法，直流電機調(diào)速的相關(guān)知識以及PWM調(diào)速的基本原理和實現(xiàn)方法。重點介紹了基于MCS-51單片機的用軟件產(chǎn)生PWM信號以及信號占空比調(diào)節(jié)的方法。對于直流電機速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程中自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)自動控制，是電氣傳動發(fā)展

4、的主要方向之一。采用微機控制后，整個調(diào)速系統(tǒng)體積小，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作維護方便，電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。關(guān)鍵詞：單片機最小系統(tǒng) ；PWM ；直流電機調(diào)速;0 前言電動機作為最主要的機電能量轉(zhuǎn)換裝置， 其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在 所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十

5、是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時代，電動機的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。然而近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進步，以及市場對產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動機的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機器人中的應(yīng)用。直流電動機的起動和調(diào)速性能、過載能力強等特點顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心單片機，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價格、大存儲容量和強I/O功能等方向發(fā)展。隨著計算機檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單

6、片機已越來越廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域的控制、自動化、智能化等方面，特別是在直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因為單片機具有很多優(yōu)點：體積小，功能全，抗干擾能力強，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強，造價低等。所以選用單片機作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可行性。1 總體方案設(shè)計1.1 系統(tǒng)方案針對本課題的設(shè)計任務(wù)，進行分析得到：本次課程設(shè)計以AT89C52單片機為核心，以5個彈跳按鈕作為輸入端，達到控制直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速。在設(shè)計中，采用PWM技術(shù)對電機進行控制。1.2 系統(tǒng)構(gòu)成該直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計，在總體上大致可分為以下5個部分組成：輸入模塊，AT89C52單

7、片機，電源模塊，驅(qū)動模塊，直流電機。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。AT89C52輸入模塊電源模塊驅(qū)動模塊直流電機圖1 系統(tǒng)原理框圖1.3 電路工作原理根據(jù)勵磁方式不同，直流電機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機機械特性曲線有所不同。對于直流電機來說，認為機械特性方程式為：n=UN/(KeN)-(Rad+Ra)/(KeKt2N)T=n-n （公式 1-1）式中UN ，N -額定電樞電壓、額定磁通量；Ke ，Kt-與電機有關(guān)的常數(shù)；Rad ，Ra-電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻；n ，n理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。分析 公式 1-1 可得，當分別改變UN 、N 和Rad時，可以得到不同的轉(zhuǎn)速n，從而實現(xiàn)

8、對速度的調(diào)節(jié)。由于=T，當改變勵磁電流If時，可以改變磁通量的大小，從而達到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流If和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻Rad時，會使機械特性變軟，導(dǎo)致電機帶負載能力減弱。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空

9、比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。當我們改變占空比時，可以得到不同的電機平均速度，從而達到調(diào)速的目的。1.4 方案選擇方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)智能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)起來很困難。方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個

10、方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)容易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用驅(qū)動芯片L298驅(qū)動直流電機，L298具有驅(qū)動能力強，外圍電路簡單等優(yōu)點。綜合各方面的因素，采用了方案三。2 硬件電路設(shè)計2.1 系統(tǒng)分析與硬件設(shè)計 鍵盤向單片機數(shù)日相應(yīng)控制指令，由單片機通過P3.0與P3.1其中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號放大，驅(qū)動電動機來控制電路，實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。2.2 單片機AT89C52采用AT89C52是MSC-51系列單片機的升級版，由世界著名半導(dǎo)體公司ATMEL在購買MSC-51設(shè)計結(jié)構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù)閃存生產(chǎn)技術(shù)

11、對舊技術(shù)進行改進和擴展，同時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，世界上其他的著名公司也通過基本的51內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進行改進生產(chǎn)，推廣了一批如51F020等高性能單片機。AT89C52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運行空間，8K字節(jié)Flash存儲空間，支持最大64k外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個定時器、8個中斷、軟件設(shè)置低耗能模式、看門狗和斷電保護?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機的功耗不斷降低。同時，該單片機支持計算機并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下

12、載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機暢銷10年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機提供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機的具體情況，使用雙列直插PID-40的封裝。2.3 復(fù)位電路和時鐘電路復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊，復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位，所以本次設(shè)計選用手動復(fù)位。2.4 直流電機驅(qū)動電路設(shè)計由于單片機P3口輸出的電壓最高才有5V，難以直接驅(qū)動直流電機。所以我們需要使用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298來驅(qū)動電機。L298可接受標準TTL邏輯電平信號，可接4.

13、57V電壓。4腳接電源電壓，電壓范圍+2.546V。輸出電流可達2.5A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機，OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之間可分別接電動機。本設(shè)計我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。同時需要加四個二極管在電機的兩端，防止電機反轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生強大的沖擊電流燒壞電機。具體驅(qū)動電路如下：圖2 驅(qū)動電路2.5 鍵盤電路設(shè)計正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速五個開關(guān)分別與單片機的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4相連，然后再與地相連。正轉(zhuǎn)實現(xiàn)直流

14、電機的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)實現(xiàn)直流電機的反轉(zhuǎn)，停止實現(xiàn)直流電機的停轉(zhuǎn)，加速實現(xiàn)直流電機的加速，減速實現(xiàn)直流電機的減速，具體鍵盤電路如下：圖3 鍵盤電路3 軟件設(shè)計3.1 應(yīng)用軟件的編制和調(diào)試使用Keil軟件編程時，項目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項目的流程較為相似。(1)創(chuàng)建一個項目，從器件庫中選擇目標器件，配置工具設(shè)置；(2)用C語言或會變語言創(chuàng)建源程序；(3)用項目管理器生成應(yīng)用；(4)修改源程序中的錯誤；(5)測試，連接應(yīng)用。3.2 程序總體設(shè)計利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動直流電機，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時間，達到使電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等目的。由軟件編程從P3.0/P3.

15、1管腳產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機，從而控制電機得電與失電。軟件采用延時法進行設(shè)計。單片機上電后，系統(tǒng)進入準備狀態(tài)。按動正轉(zhuǎn)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時實現(xiàn)電機反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/P3.1輸出高低電平時的有效值，進而控制電機的加減速。其主程序流程如圖2所示：停止鍵盤掃描是否有鍵按下開始正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)加速減速NY圖4 主程序流程圖3.3 仿真圖形按下“正轉(zhuǎn)”按鈕，直流電機運行效果如圖所示：圖5 電機正轉(zhuǎn)按下“加速”按鈕，直流電機正向加速，運行效果如圖所示：圖6 電機正轉(zhuǎn)加速按下“減速”按鈕，直流電機正向減速，運行效果如圖所示：圖7 電機正

16、轉(zhuǎn)減速按下“停止”按鈕，直流電機停止運轉(zhuǎn)，運行效果如圖所示：圖8 電機停轉(zhuǎn)按下“反轉(zhuǎn)”按鈕，直流電機開始反轉(zhuǎn)，運行效果如圖所示： 圖9 電機反轉(zhuǎn)4 調(diào)試分析在調(diào)試時，由于子程序有很多，有時沒法將每一個子模塊都運行到，自然也無法及時發(fā)現(xiàn)其中的疏漏。為了解決這個問題，更好地查找錯誤，我解決的方法是將各個模塊分別進行調(diào)試。例如在調(diào)試某一模塊時，先將其他模塊用“/”暫時屏蔽掉，直到各個子模塊都健康運行后，再整體調(diào)試，這樣我們更加容易找出錯誤，增加效率。軟件調(diào)試需要不斷的在單片機上執(zhí)行看輸出的結(jié)果，如果每次都在硬件上操作比較麻煩，因此我使用了“Proteus”仿真軟件，將我們的電路硬件搭建出來，在這個平

17、臺上調(diào)試軟件，并且達到了比較好的效果。5 結(jié)論及進一步設(shè)想根據(jù)實驗結(jié)果，本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止能功能。但是由于我對數(shù)碼管等顯示模塊掌握度不夠，系統(tǒng)還不能顯示出電機轉(zhuǎn)速，如果可以再多給我一些時間，我一定能設(shè)法用LCD或數(shù)碼管顯示出電機的轉(zhuǎn)速。參考文獻1 王鑒光.電動機控制系統(tǒng).北京:北京機械工業(yè)出版社,19942 劉小春,首桁.無刷直流電動機的單片機控制.自動化技術(shù)與應(yīng)用,20093 王小明.電動機的單片機控制.北京:北京航空航天大學出版社,20024 張堔.直流無刷電動機原理及應(yīng)用.北京:北京機械工業(yè)出版社,19965 孫涵芳,徐愛卿.MCS-51/

18、96系列單片機原理及應(yīng)用.北京:北京航空航天大學出版社,19776 何立民.單片機應(yīng)用技術(shù)選編.北京: 北京航空航天大學出版社,20037 史國生.交直流調(diào)速系統(tǒng).北京:化學工業(yè)出版社,20028 楊興姚.電動機調(diào)速的原理及系統(tǒng).北京:北京水利電力出版社,2003課設(shè)體會通過本次課程設(shè)計，我從直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與搭建中深深的體會到軟件對于一個系統(tǒng)來說是多么重要。軟件可以說是一個系統(tǒng)的靈魂,在工作中指導(dǎo)硬件按照指定的方案運行。對于剛學匯編不久的我來說,編制一個完整的系統(tǒng)軟件可謂無任何經(jīng)驗可言。在設(shè)計過程中,我們主要學習體會了單個模塊的搭建與編程,例如鍵盤子程序, 中斷子程序等等。在這個系統(tǒng)搭

19、建過程中,不但要將這些子模塊有機的結(jié)合在一起,還要讓它們較好的協(xié)調(diào)起來,按照我們思路運行，可以說是比較困難的。由于我缺乏經(jīng)驗，所以經(jīng)常犯下許多低級錯誤。單片機編程是不能想當然的，我最容易犯的錯誤就是不經(jīng)論證就去按照自己覺得可行的思路去進行，往往導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。例如我原來在編制顯示子程序時，只記得將相應(yīng)段碼與位碼相對照，卻忘記了實際硬件是共陰極還是共陽極；還有顯示間隔時間的問題，我本以為長短無所謂，但結(jié)果是如果間隔大于10ms就會產(chǎn)生閃爍感，導(dǎo)致沒有靜態(tài)的效果，而間隔太短的話必須在顯示下一個之前，將前一個位選清除，否則就容易產(chǎn)生“串位”，導(dǎo)致顯示的不正常；在鍵盤掃描子程序中，當有鍵按下做相

20、應(yīng)操作，必須當按鍵釋放時才能繼續(xù)掃描，否則將導(dǎo)致一次按下執(zhí)行多次的錯誤情況 雖然遇到了許多困難，但是在老師的幫助下，我還是完成了這次的課程設(shè)計。通過本次課程設(shè)計，我進一步了解了系統(tǒng)搭建的過程和系統(tǒng)軟件編程的步驟，為今后的學習打下良好的基礎(chǔ)。在這里我要感謝我的指導(dǎo)老師XX老師。X老師工作很忙，但還是在我做課程設(shè)計的時間里一直關(guān)心我的進展，從設(shè)計方案的確定和修改，仿真的檢查，及后來的詳細設(shè)計等過程中都給了我很大的支持和關(guān)注。本次課程設(shè)計讓我把理論應(yīng)用到了實踐，同時通過課程設(shè)計，也加深了我對專業(yè)理論知識的理解和掌握。在解決問題的過程中，我查閱了大量專業(yè)書籍，獲得了許多專業(yè)知識，拓展了視野，提高了我的

21、理論水平和實際的動手能力，并讓我學會了解決問題的方法，激發(fā)了我的探索精神。這樣的課程設(shè)計是很好的鍛煉機會，課程設(shè)計使我深入的了解到了實踐能力對于工科學生的重要性，增強了我們的實踐動手能力，也為我接下來大四的畢業(yè)設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。2012年7月 19日完成附錄1 電路原理圖附錄2 程序清單#include<at89x51.h>#define unchar unsigned char#define unint unsigned intunsigned char code dispcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x

22、90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x84,0xff,0xbf;/顯示代碼unsigned char dispbitcode=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7;/位選口unsigned char dispbuf4=0,0,0,0;unsigned char dispbitcnt;unint mstcnt;unint i;unint count=0;unchar tp=0;void ledshow();void keyscan();void delay();void just();void turn();void motorstop();void speedup();

23、void speeddown();void main(void)P3_0=1;P3_1=0;dispbuf0=16;TMOD=0x02;TH0=0x06;TL0=0x06;TR0=1;ET0=1; EA=1;while(1) ledshow();/數(shù)碼管顯示keyscan();/鍵盤掃描 /延時10ms程序void delay()unsigned char i,j;for(i=20;i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);/鍵盤掃描程序void keyscan()unchar temp=0;P1=0xff;if(P1&0x1f)!=0x1f) delay();if(P1&0x1f)!=0x1f) temp=P1&0x1f;switch(temp) case 0x1e:just();break;case 0x1d:turn();break;case 0x1b:motorstop();break;case 0x17:speedup();break;case 0x0f:speeddown();break; while(P1&0x1f)!=0