基于PWM直流电动机控制系统的设计
摘要
直流电机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因其结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电机具有良好的启动、调速、和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流电机调速已有逐步被交流电机调速取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流电机仍有一定优势。PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要波形（含形状和幅值）。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，这是因为输入和所需输出都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行调制。本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本设计系统以单片机AT89C52为核心，附以外围电路，实现直流电机调速的系统，运用单片机的运算和处理能力和L298电机驱动芯片来实现电机的手动加速、减速调速等智能控制系统。并运用软件Proteus进行仿真。
关键字：PWM信号；单片机；直流电机调速
PWM DC MOTOR CONTROL SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
DC motor is the first motor of human’s invention and application. Compared with AC motor, DC motor’s complex structure, maintenance difficulties and its more expensive as well other shortcomings restrict its development and application as a wide range of AC motor. However, DC has a good start, speed, and braking performance, it still exists in the industrial field. With the development of power electronics, DC motor speed control has gradually been replaced by AC motor speed control, but in the view of the quality and reliability of power supply, the DC generator still has a certain advantages. PWM (Pulse Width Modulation) control is a technology on the pulse width modulation. It modulates a series of pulse width in order to obtain the required waveform (including the shape and amplitude). Changing the pulse duty cycle is the pulse width modulation. Because both input voltage and required output voltage are DC, pulse amplitude and width are equal. So it only modulates the duty cycle of pulse. This article designs the basic plan of DC motor control system, describing the basic structure, working principle, operating characteristics and design methods of the system. This system takes AT89C52 as the design system’s CPU, which is accompanied by the external circuit, realizes a DC motor speed control system. By the use of microcontroller operation and the processing ability and L298 motor driver chip, it achieves the motor manually speed up, down, and other intelligent control. At last it apply Proteus software to simulate.
Key words: PWM; Signal Microcontroller; Speed Control of DC Motor
目录
1 前言............... . (1)
2 直流电机介绍 (2)
2.1 直流电机工作原理 (2)
2.1.1 直流电机的结构 (2)
2.1.2 直流电机工作原理 (2)
2.2 直流电机应用状况 (5)
3 关键技术 (6)
3.1 PWM技术的基本原理 (6)
3.2 PWM调速原理 (6)
3.3 单片机技术 (8)
3.4 单片机应用领域 (8)
3.5 单片机的结构 (9)
3.5.1 内部结构 (9)
3.5.2 单片机外部结构 (9)
4 系统硬件设计 (11)
4.1 系统设计总体方案 (11)
4.2 直流电机驱动方案选择 (12)
4.2.1模拟电路驱动 (12)
4.2.2 L298芯片驱动 (12)
4.3 电源设计 (13)
4.4 复位电路设计 (14)
4.5 晶振电路设计 (15)
4.6 按键电路的选择与设计 (16)
4.7 LED显示电路设计 (17)
4.8 测速电路设计 (19)
5 系统软件设计 (22)
5.1 主程序流程图 (22)
5.2 键盘扫描子程序 (23)
5.3 PWM波发生子程序 (24)
5.4 测速子程序 (24)
5.5 显示子程序 (25)
6 系统仿真 (27)
6.1 按键电路仿真 (27)
6.2 PWM波形仿真 (28)
6.3 测速显示仿真 (28)
6.4直流电机驱动仿真 (29)
6.5 系统电源的仿真 (29)
7 结论 (31)
参考文献 (32)
致谢 (33)
附录 (34)
附录1 系统设计电路图 …………………………………………………………………….34 附录2 仿真电路图…………………………………………………………………………..35 附录3 系统程序……………………………………………………………………………..36 .
1 前言
脉宽调制（Pulse Width Modulation）控制技术，通常简称为PWM控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期以达到变压目的，或控制电压脉冲的宽度和周期以达到变压变频目的的一种控制技术。近年来，电气传动的PWM控制技术已成为电气传动自动控制技术的热点之一。
直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现大范围的调速而得到广泛的应用，调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，但是有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300Hz以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。于是90年代出现了以IGBT为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案。
纵观电气传动国内外发展的情况，虽然直流电动机因其结构复杂、成本较高、维修保养费用较贵以及随着电力电子技术的进步对交流调速问题的解决，交流调速在发达国家已经占据主导地位，但是在我国目前仍有大量的各类机床和系统使用直流电动机作为伺服驱动,有些用模拟PWM控制、有些用晶闸管移相控制。如果将其改造为微处理器控制PWM调速控制，使其具有控制方式多样化,能与数字速度给定信号直接接口等优点，则有利于国家工业化的发展。
PWM直流电动机调压调速系统拥有需用的功率元件少、线路简单、控制方便、开关频率高、低速性能好、稳速精度高及调速范围宽等优点，在工厂企业得到广泛的应用。通过学习并熟练掌握这个调速系统，对我们今后的工作有十分重要的意义。
2 直流电机介绍
2.1 直流电机工作原理
2.1.1 直流电机的结构
直流电机的结构是多种多样的，但是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间隙，是电机中电路和磁路发生相对运动。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、换向器和转轴等组成。
2.1.2 直流电机工作原理
N和S是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组。直流电机的之一部分成为电枢。实际电机中的电枢绕组嵌放在贴心槽内，电枢绕组中的电流称为电枢电流。线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片相连，铜片上又各压着一个固定不变的电刷。如图2-1所示，将电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源正极流出，经电刷流入电枢绕组，然后另一电刷流回电源的负极。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁转矩使电机旋转[1]。
图2-1 直流电机原理图
2.1.3 直流电机调速原理
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础[2]。直流
电机转速方程如公式2-1。
（2-1）
式中 n — 转速（r/min ）； U — 电枢电压（V ）；
I — 电枢电流（A ）；
R — 电枢回路总电阻（Ω）； φ— 励磁磁通（Wb ）；
Ke — 由电机结构决定的电动势常数。
可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压U ； （2）减弱励磁磁通Φ； （3）改变电枢回路电阻R 。
第一种改变电枢电路总电阻调速，可通过在电枢回路中串电阻来实现。如公式2-2。
()
a a a w E U I R R n C φ
-+=
（2-2）
式中w R 是外接电阻。
由此可见，当负载一定时，外接电阻w R 的增大，会导致电枢回路总电阻R 的增大，从而使n 减少。其机械特性如图2-2所示，M 为转矩。
图2-2 改变电枢回路总电阻时调速机械特性
这种调速方法是有级调速的，调速不平滑，而且串接了电阻增大了电路的功耗，所以这种方法一般不使用。
第二种改变点电枢的供电电压调速，就是改变电枢两端的电压a U ，使速度n 也改变。现在随着电力电子技术的发展，可以方便的改变电压的输出值，从而可以方便的改
Φ
-=e K IR U n
变电机的转速。其机械特性图如图2-3所示，M 为转矩。
图2-3 改变电枢供电电压调速的机械特性
这种调速方法可以实现无级调速，并且它是通过减少输入功率来减少输出功率从而降低转速的，因此低速运行时也不会增加功耗，在整个调速范围内都很经济。
第三种改变励磁磁通调速，可以通过在励磁电路中串接一个可调电阻，从而改变励磁电流和磁通来实现。其机械特性如图2-4所示，M 为转矩。
图2-4 改变励磁磁通调速的机械特性
这种调速方法，由于调节在小电流的励磁回路进行，所以损耗比较小，并且平滑性好能实现无级调速。但是，因为在一般的电机的磁路在N φφ=时已经工作在饱和作态，所以这方法只适用于基频以上调速。
因此，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。
2.2 直流电机应用状况
在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，所以直流调速系统至今仍然被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，是截止到目前为止调速系统的主要形式。
3 关键技术
3.1 PWM技术的基本原理
PWM(Pulse Width Modulation)控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要波形（含形状和幅值）。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需输出都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行调制。
在采样控制理论中有一个重要结论：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。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如三种不同的脉冲即矩形脉冲、三角脉冲、正弦半波脉冲有相同的面积（即冲量）都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。上述原理为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础[3]。
3.2 PWM调速原理
PWM调速原理及输出波形如图3-1所示：
（a）
（b）
图3-1 PWM调速系统原理及波形输出图
假设V1先导通T1秒，然后又关断T2秒，如此反复进行，可得到图3-1（b ）的波形图。可以得到电机电枢端的平均电压Ua 如公式3-1。
1
a d T U U T
=
（3-1） 设α=
1T T
，α可定义为占空比[4]
。设输入电压Ud 不变，α越大，电机电枢端的平均电压Ua 越大，反之也成立。故改变α值就可以达到调压的目的。
改变α有三种方式：第一种是T1保持不变，使T2在0到∞之间变化，这叫定宽调频法；第二种是T2保持不变，使T1在0和∞间变化，这叫调宽调频法。第三种是T 保持一定，使T1在0到T 间变化，这叫定频调宽法。本设计采用定宽调频法。
3.3 单片机技术
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。用专业语言讲，单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器及各种输入/输出接口的芯片[8]。
3.4 单片机应用领域
（1）单片机在智能仪器仪表中的应用
在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
（2）单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
（3）单片机在日常生活及家用电器领域的应用
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、空调器、电子玩具、电饭煲、视听音响设备等家用电器配上单片机后，单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
（4）在实时过程控制中的应用
用单片机实时进行数据处理和控制，使系统保持最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品的质量。
（5）办公自动化设备
现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。
（6）商业营销设备
在商业营销系统中已广泛使用的电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。
（7）在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
（8）单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
（9）汽车电子产品
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。
（10）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域[5]。
3.5 单片机的结构
3.5.1 内部结构
一个基本的MCS-51单片机通常包括：中央处理器、ROM、RAM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从而实现数据通信。其内部框图如图3-2所示。
3.5.2 单片机外部结构
常见的51单片机中一般采用双列直插（DIP）封装，共40个引脚。图3-3为引脚
排列图。其中的40个引脚大致可以分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。
图3-3 单片机外部结构
4 系统硬件设计
4.1 系统设计总体方案
本设计是基于AT89C52单片机的直流电机PWM调速系统，其基本原理为：由单片机AT89C52接受键盘的信号并通过计算占空比产生出对应的PWM信号输出和控制信号输出，其中一路信号控制L298的使能和方向，一路PWM波形送L298控制直流电机的速度。在直流电机中安装霍尔开关传感器，把速度信号传送到AT89C52，AT89C52进行定时计数，计算出直流电机每秒钟的转速，并送LED显示。整个系统的电源由外接双路稳压电源（+5V、+12V）提供。
其结构简图如图4-1所示：
图4-1 系统硬件原理图
图4-1为硬件系统原理框图，按键输入选择电机的运行方式，单片机通过读取按键执行程序，并产生的PWM波驱动L298使单片机运行，通过霍尔元件测量电机转速，将霍尔元件输出的高低电平送入单片机进行计数即为转速，将转速值送出LED显示。
4.2 直流电机驱动方案选择
4.2.1 模拟电路驱动
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大;分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
4.2.2 L298芯片驱动
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比
较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号V
SS ，V
SS
可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电
压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置驱动一台电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转[20][10]。
表4-1 L298N功能逻辑状态
ENA IN1 IN2 运转状态
0 ××停止
1 1 0 正转
1 0 1 反转
1 1 1 利停
1 0 0 停止
图4-2是L298与直流电机的连接图，IN1和IN2分别接单片机输出逻辑电平控制直流电机的运行状态，ENA接单片机PWM波输出端口。
图4-2 L298驱动直流电机图
实际设计时，为保证系统正常工作需要在L298周围添加外围逻辑电路，保证芯片不被烧坏。单片机的PWM输出引脚P3.7接L298的EnA引脚,它控制着电机转速大小。比较器LM393主要起到了限制过流和保护L298的作用。LM393的同相端直接连到了一个可变电位计上,电位计的参考电压是可调的。调节电位计的参考电压能调节L298的限流电压。LM393的反相端接到L298的SENSEA两检测端。当检测电阻两端的电压大于限流电压时,比较器的反相端的电压大于同相端的电压,输出端输出低电平,从而把L298的EnA使能端拉低,L298停止工作。这就起到了限制过流和保护L298的作用。
对于直流电机的驱动，为了更好的获得驱动效果采用L298输出并联驱动。也为了使直流电机的工作状态不影响主电路的工作状态在直流电机的两端并联RC电路隔离电机。
4.3 电源设计
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。
一种方法是应用变压电路将市电转换成稳定的直流电源；一种方法是直接应用外部5V电源供电或直接应用计算机USB电源供电。考虑到在整个系统中电源的需求并不唯一即单片机需要+5V电源供电，电机驱动芯片L298需要+12V电源供电所以电源方案选用将市电220V转变为5V和12V直流稳压电源来实现。采用双路输出的直流稳压电源。直流稳压电源又分成线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源，因为线性直流稳压电源电路成
熟，稳定度高，文波小，干扰小而且有很多成熟是集成元件可选择，电路的实现十分方便[12]。
S1
CC
S
图4-3 系统供电电路图
由上图可见，这个双路输出的线形直流稳压电源结构十分简单，只用了一个220V 变12V 的变压器，一个整流桥，两块稳压集成电路（7812和7805）和四个电容。图中C1是一个大容量的电解电容，起到低频滤波的作用。由于C1本身的电解比大，对高频交流成分的滤波效果比较差，所以为了改善滤波电路的高频抑制特性，在C1旁边并联一个高频滤波性能良好的小电容C2。而直流稳压电路输出端的电容C3和C4是用作改善稳压电源电路的瞬态负载响应特性[13]。
4.4 复位电路设计
单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC 电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。
上电复位：AT89C52由高电平复位，通常在复位引脚RST 上连接一个电容到VCC ，再连接一个电阻到GND ，由此形成一个RC 充放电回路保证单片机在上电时RST 脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K 和10uF 。
按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、
RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
此电路实在RC复位电路的基础上添加二极管实现，单一的RC复位电路可实现基础的复位要求但是解决不了电源缓慢下降带来的问题如果经常改变RC的参数会使驱动能力变差。添加了二极管以后在电源电压下降时电容瞬间放电。
图4-4 为按键高电平复位电路图
4.5 晶振电路设计
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需
要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
AT89C52使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可。
4.6 按键电路的选择与设计
键盘输入、显示输出是人机对话的重要手段，是很关键的人机联系设备。数据输出显示采用数码显示器较为实用可靠价廉；键盘实际上是一种按压式开关，通常，所用开关为机械弹性开关。在一些电路设计中，按键按下闭合后应产生一个负的矩形脉冲，但是由于在按动按键时总会有一些抖动，因此在开始和末尾会产生一连串的抖动，抖动的时间长短是由按键的机械特性决定，一般为5～10MS这是一个很重要的时间参数；而按键的稳定闭合期长短是由操作人员的按键动作所决定，一般为十分之几到几秒的时间，这个时间参数可作为一般的参考。
按键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平。如果高电平表示按键断开，低电平表示按键闭合，所以通过检测电平的高低状态，便可确认按键是否按下。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。消除按键抖动一般有硬件软件两种方法。
硬件方法：滤波消抖电路。众所周知，RC积分电路具有吸收干扰脉冲的作用，所以只要适当的选择时间常数，让按键抖动信号通过此滤波电路，便可消除抖动影响。如图4-6所示，当K未按下时，Vc为0，OUT为1。当按下时，由于电容两端电压都不能跃变，即使在接触过程中出现抖动，只要C两端充电电压波动不超过G门得开启电压（TTL电平为0.8V左右），OUT将不会改变，这可通过适当选取R1、R2和C的值来实现。同样K在断开的时候，即使出现抖动，由于电容电压不能跃变，它要经过R2放电，
只要电容两端的放电电压不超过G门关闭电压，OUT也不会改变。所以，关键R1、R2
煤炭工程学院课程设计 题目：直流电动机转速控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 日期：
摘要 当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。 随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。 本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52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LCD上的实时显示。 关键词：直流电机；AT89S52；PWM调速；L298
实训题目: 温度控制直流电动机转速 学生姓名：崔敬通 学号： 201223160126 专业：电子信息工程 2013年11月27日
1 引言 直流电机具有良好的线性调速特性和控制性能，使其调速控制占主流地位。尽管交流变频电机、步进电机等在控制调速领域的应用比较广泛，但直流电机调速仍是大多数调速控制电机的最佳选择。89C55单片机支持C语言编程，可移植性好，速度快，已被广泛应用于机电一体化、工业控制、智能仪器仪表等领域。现应用89C51单片机对直流电机速度进行有效测试和控制，通过对直流电机转速脉冲和中断次数的计数，可实现根据输入值控制直流电机的转速。 2 设计任务与要求 根据设计需要，通过测量原件把检测到的直流电机转速读入到89C55单片机中，再通过编程使读入的数值在显示器上显示出来。若检测到的电机转速等于设定值，则对直流电机的转速进行记录；若检测到的电机转速没有达到设定值，则通过加大数值或模数转换芯片使电机速度提升至设定值；若检测到电机转速超过设定值则通过模数转换芯片把电机速度降至设定值。通过这种实时检测和在线控制的方式使单片机能够对直流电机 2.1系统的设计要求及主要技术指标 本论文要求使用单片机进行电路设计，同时单片机部分应带有显示功能。单片机对某个位置进行温度监控，当外部温度≥45℃时，电动机加速正转，当温度≥75℃时，电动机全速正转；当外部温度≤10℃时，电动机加速反转，当温度≤0℃时，电动机全速反转；当温度回到10℃～45℃之间时电动机逐渐停止转动。 2.2系统总体方案 系统总体方案设计，如下图2.1
图2.1 系统总体方案图 2.3总体方案论述 该系统采用AT89C55单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机，经过软件编程进行温度的比较和范围划定，然后通过程序控制由单片机产生不同的PWM（脉冲宽度调制）信号，送给电机驱动芯片L298的使能端口，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；单片机将温度数据传送给LM016L显示温度。整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。 3硬件电路设计 MCS-51系列单片机 Intel公司推出的8位单片机： 1976年推出的MCS-48系列：8039，8048等。
直流电机与交流电动机的区别 区别就是驱动电源的种类不同，交流电机是交流，直流电机是直流。 交流电机是定子所形成的旋转磁场在转子上感应出电势后产生的旋转动力。 转速一般是固定的转速。但由于其结构简单，供电电源方便，所以大量使用于工业企业中。小到家用冰箱洗衣机吸尘器，大到机床，等等，都使用交流电机。 直流电机的定子是一个固定磁场，直流电通过转子的电刷在其周围形成变化的磁场，从而在定子内转动。 由于交流比较容易获得，比较容易输送，所以目前我们所使用的电动机械大部分都是交流电机驱动的，交流电机应用更广泛一些。 直流电机是磁场不动，导体在磁场中运动；交流电机是磁场旋转运动，而导体不动. 直流电动机分为定子绕组和转子绕组.定子绕组产生磁场.当通直流电时.定子绕组产生固定 极性的磁场.转子通直流电在磁场中受力.于是转子在磁场中受力就旋转起来.直流电机构造 复杂.造价高. 交流电动机分定子绕组和转子导体.转子导体形状像鼠笼，导体与导体之间用硅钢片.有的交流电动机转子也有绕组. 三相异步电动机的旋转原理 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，定子绕组产生旋转磁场后，转子导体（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速不同步。为此我们称三相电动机为异步电动机。 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。 交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等。
创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计
目录 目录 (1) 1 引言 (2) 1.1 设计背景 (2) 1.2 系统可实现的功能 (2) 2 总体方案设计 (3) 2.1 单片机选型方案 (3) 2.2 转速测量方案选择 (4) 2.3直流电机驱动电路介绍 (5) 2.4 PWM调宽方式的选择 (6) 2.5键盘的选择 (6) 2.6整体方案设计框图 (6) 3 硬件电路设计 (7) 3.1 系统的整体硬件框图 (7) 3.2 按键模块电路设计 (7) 3.3数码管显示模块电路设计 (8) 4系统软件设计 (10) 4.1 PWM输出程序设计 (10) 4.2 数字PID算法程序设计 (11) 4.3速度采集模块程序设计 (12) 4.4 按键设定程序设计 (13) 4.5 速度显示模块程序设计 (15) 5 总结 (16) 6参考文献 (17) 附录A系统原理图 (18)
1 引言 1.1 设计背景 现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 1.2 系统可实现的功能 设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。
直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。
各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
电动摩托车控制器中的电机PWM调速 摘要：随着“低碳”社会理念的深入，新型的电动摩托车发展迅速，逐渐成为人们主要的代步工具之一，由于直流无刷电机的种种优点，在电动摩托车中也得到了广泛应用，因此，本文控制部分主要介绍一种基于STM32F103芯片的新型直流无刷电机调速控制系统，这里主要通过PWM技术来进行电机的调速控制，且运行稳定，安全可靠，成本低，具有深远的意义。 1.总体设计概述 1.1 直流无刷电机及工作原理 直流无刷电机（简称BLDCM），由于利用电子换向取代了传统的机械电刷和换向器，使得其电磁性能可靠，结构简单，易于维护，既保持了直流电机的优点又避免了直流电机因电刷而引起的缺陷，因此，被广泛应用。另外，由于直流无刷电机专用控制芯片价格昂贵，本文介绍了一种基于STM32的新型直流无刷电机控制系统，既可降低直流无刷电机的应用成本，又弥补了专用处理器功能单一的缺点，具有重要的现实意义和发展前景。 工作原理：直流无刷电机是同步电机的一种，其转子为永磁体，而定子则为三个按照星形连接方式连接起来的线圈，根据同步电机的原理，如果电子线圈产生一个旋转的磁场，则永磁体的转子也会随着这个磁场转动因此，驱动直流无刷电机的根本是产生旋转的磁场，而这个旋转的磁场可以通过调整A、B、C三相的电流来实现，其需要的电流如图1所示 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。
摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。特别是在直流电动机广泛应用的电气传动领域，起到至关重要的作用。直流电动机因为具有良好的调速性能和比较大的起动转矩，一直被应用在电气领域，尤其是在需要调速性能很高的场所。在制造业、工农业自动化、铁路与运输等行业都被广泛的应用，随着市场的竞争力，对直流电动机的需求也越来越高，同时对直流电动机的调速性能也有了更高的要求。因此，研究直流电动机转速控制系统的调速性能有着很重要的意义。 在本次的设计中采用PWM控制直流电动机转速。PWM脉冲受到PID算法的控制，被用来控制直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式传感器，将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统，改变不同占空比的PWM脉冲就可以实现直流电动机转速控制。 本论文对每一个方案的选择都进行详细的论述，在软件和硬件部分都进行了模块化。硬件部分首先给出一个以AT89S52单片机为核心的整体结构图，并对驱动电路、显示电路等模块进行详细的阐述。在软件部分给出整体程序流程图，对PWM 程序、PID算法程序、显示程序等模块详细的阐述。本次系统设计的具有抗干扰能力强、性价比高、维修简单方便等优点。 关键词：PWM；单片机；直流电动机；转速控制
Abstract Nowadays, automatic control system has been widely used and greatly developed in all walks of life. As the dominant part of electric drive, direct current (DC) control plays an important role in modern production, especially in the DC motor is widely used in the field of electric transmission. DC motor because of its good speed control performance and relatively large starting torque, has been applied in the electrical field, especially in the high speed performance requirements of the occasion. Is widely used in the manufacturing industry, industry and trade of agricultural automation, rail and transit industry, with the competitiveness of the market, the demand of DC motor is also more and more high, also of the DC motor speed performance also has the higher requirements. Therefore, it is very important to study the speed control performance of the DC motor speed control system. In this design, using PWM control DC motor speed. PWM pulse is controlled by the PID algorithm, PWM is used to control the speed of DC motor. At the same time, the hall sensor mounted on the rotational shaft of the DC motor, the DC motor speed is converted into a pulse signal, feedback to the microcontroller, form a closed loop feedback control system, changing the duty ratio of the PWM pulse can realize DC motor speed control. In this paper, the choice of each program are discussed in detail, in both the software and hardware parts are modular. In the part of hardware, we first give a whole structure diagram with AT89S52 single chip microcomputer as the core, and elaborate the driving circuit, display circuit and other modules in detail. In the software part gives the overall program flow chart, the PWM program, PID algorithm program, display program, and other modules are described in detail. The system design has the advantages of strong anti-interference ability, high cost performance, easy maintenance and so on. Key Words: PWM; microcomputer; DC motor; speed control
直流电动机分类 直流电动机按结构及工作原理可划分：（1）无刷直流电动机和（2）有刷直流电动机。 （1）无刷直流电动机：无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同．在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)．绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。转子多采用钐钴或钕铁硼等高矫顽力、高剩磁密度的稀土料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同．可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。 （2）有刷直流电动机可划分：（2、1）永磁直流电动机和（2、2）电磁直流电动机。 （2、1）永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 （2、1、1）稀土永磁直流电动机：体积小且性能更好，但价格昂贵，主要用于航天、计算机、井下仪器等。
（2、1、2）铁氧体永磁直流电动机：由铁氧体材料制成的磁极体,廉价，且性能良好，广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域。 （2、1、3）铝镍钴永磁直流电动机：需要消耗大量的贵重金属、价格较高，但对高温的适应性好，用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场合。 （2、2）电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 （2、2、1）串励直流电动机：电流串联，分流，励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。 （2、2、2）并励直流电动机：并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。 （2、2、3）他励直流电动机：励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。
东北石油大学MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始
直流电机转速的PWM控制测速 王鹏辉 姬玉燕
摘要 本设计采用PWM的控制原理来完成对直流电机的正转、反转以及其加速、减速过程的控制，在此过程中是通过单片机的定时器加上中断的方式产生不同时长的高低电压脉冲信号来完成。并通过霍尔传感器对直流电机的转速进行测定，最后将实时测定的转速数值1602液晶屏上。 关键词： PWM控制直流电机霍尔传感器 1602液晶显示屏 L298驱动 一、设计目的： 了解直流电机工作原理，掌握用单片机来控制直流电机系统的硬件设计方法，熟悉直流电机驱动程序的设计与调试，能够熟练应用PWM方法来控制直流电机的正反转和加减速，提高单片机应用系统设计和调试水平。 1.1系统方案提出和论证 转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。 1.2 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构
原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。 传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图 方案霍尔转速传感器的接线图 缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 1.3方案二：光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.2所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱
X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开
关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：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，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图
目录 1、引言 (2) 二、初始条件： (2) 三、设计要求： (2) 四、设计基本思路 (3) 五、系统原理框图 (3) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (3) 七、参数计算 (4) 1. 有关参数的计算 (4) 2. 电流环的设计 (5) 3. 转速环的设计 (6) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (8) 1.系统主电路图 (8) 2.触发电路 (9) 3.控制电路 (13) 4. 转速调节器ASR设计 (13) 5. 电流调节器ACR设计 (14) 6. 限幅电路的设计 (14) 八、系统仿真 (15) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (15) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (16) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (17) 九、总结 (20)
一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学 《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题 的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 二、初始条件： 1．技术数据 （1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5； （2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标 （1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作错误！未指定书签。； （2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）； （3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求： （1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图； （2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 （3）动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳 定，并满足动态性能指标的要求； （4）绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计 第一章:前言 1.1前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 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，需要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、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过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、经济好等特点。 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2本设计任务: 任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数: 功能主要包括： 1)直流电机的正转； 2)直流电机的反转； 3)直流电机的加速； 4)直流电机的减速； 5)直流电机的转速在数码管上显示； 6)直流电机的启动； 7)直流电机的停止； 第二章：总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
开题报告 电气工程与自动化 直流电动机双闭环控制系统设计与分析 一、选题的背景与意义 随着现代工业的快速发展，在调速领域中，双闭环的控制理念已经得到了越来越广泛的认同。由于其动态响应快,静态性能良好,抗干扰能力强,因而在工程设计中被广泛地采用[1]。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度[2]。 PID（即：比例-积分-微分）控制器是最早发展起来的控制理论之一，由于它具有算法结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业控制中90％是采用PID控制系统 [3]。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID 控制器的相应参数。此外，在实际的生产现场过程中，由于受到现场环境及运行工况的变化等因素的困扰，常规的PID设计方法往往整定欠佳，性能不良，对运行工况的适应性较差，很难满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。 群体智能算法(Swarm Intelligence Algorithm) [4]是近十几年发展起来的智能仿生算法，其基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造随机优化算法。其中由美国学者Kennedy 和Eberha提出的粒子群优化算法(particle swarill optimization，PSO) 计算快速收敛，不易陷入局部最优，而且所需参数少且易于实现。因此，粒子群及改进的粒子群优化算法在PID参数整定中的应用近几年也得到了极大关注和重视。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1、基本内容 本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过粒子群优化算法（PSO）用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。 双闭环PID控制系统设置了转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 两者实行串级连接, 且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速环作为外环, 以抑制电网电压扰动对于转速的影响, 把由电流环作为内环, 以实现在最大 电流约束下的转速过渡过程最快最优控制。直流电动机双闭环控制系统原理见图1所示。 III
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 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，LED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。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 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之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。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脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范