直流电机转速及方向控制

专业课程设计

设计报告

直流电机转速及方向的控制班级：

专业：电气工程及其自动化设计人（学号）：

完成日期： 2011年10月10日

成都信息工程学院控制工程学院

二零一一年十月

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。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

本文设计开发了一套基于单片机的直流电机多速控制器，作为其配套的试验装置。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以STC89C51单片机为核心的硬件构成，对控制电路、测速电路和显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法;实现了启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用STC89C51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。

运行结果表明，系统实现了电机的高精度多速度控制，达到了性能指标要求。

关键词：直流电机单片机多速控制

ABSTRACT

Nowadays，automatic control systems have been widely used and developed in every aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems, DC drivers become more and more important modern production. For a long time, DC motor has possessed the main role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range, besides, its control performance is excellent. DC motor is widely used on the automatic equipments ,such as CNC and industrial robot. As the scale of production becomes larger and larger the demand and requirements become higher and higher, so the research on improving the DC controlling system behavior has important sense.

This paper system of DC motor multiple speeds based on STCMCU is designed, as its necessary test equipment. It finished the total project design of system and model selection. The hardware and software design of the system according to the preceding solutions are discussed detailed. For the hardware part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the STCMCU, the paper introduced the details of some hardware problem，including Control circuit, velocity measurement circuit and display circuit and so on. The method of software planning for it is also discussed. For the software part，with the introduction of modular design concept some procedure flow charts of main program subroutine are offered. The paper designs the software which achieves the functions，such as install parameters, download parameters，startup stop accelerate and decelerate. This new family of STC enables cost--effective design of controllers for DC motors which can fulfill more conditions，consisting of Fewer system components, lower system cost and increased performances

It has been proved by experiments that this system can make the high precise and multiple speed motor control come true. Stepping out the performance index is realized. Now this system has been put into experiment.

Key word: DC Motor MCU Multiple Speed

一、设计目的：

利用PWM控制直流电机的转动速度。利用控制信号控制直流电机的转动方向。

二、设计任务：

用DP-51PROC单片机综合仿真实验仪上的开关来控制直流电机的正反转。

用DP-51PROC单片机综合仿真实验仪上的按钮实现控制直流电机的速度控制。

三、设计要求：

学习如何控制直流电机，理解PWM功率驱动电路，学会利用仿真仪上的已有模块进行接口控制。

四、系统方案设计：

1、系统总体设计：

⑴系统总体框图

通过按动6个按键来实现对电动机的启动、停止、正转、反转、加速以及减速控制。

⑵设计思路和工作原理

变速：通过调节直流电机的电压可以改变电机的转速，但是一般我们设计的电源大都是固定的电压，而且模拟可调电源不易于单片机控制，数字可调电源设计麻烦。所以这里用脉宽调制（PWM）来实现调速。方波的有效电压跟电压幅值和占空比有关，我们可以通过占空比实现改变有效电压。

变向：直流电机只要能提供一定的电压就可以转动，改变电压极性可以改变转动方向，我们可以利用H桥电路来改变电动机的电压极性，从而改变直流电机的转向。

通过单片机产生可控的PWM波，来驱动H桥，根据需要来改变H桥中接电机的电压极性，从而改变直流电机的转向；通过控制单片机控制PWM的占控比，改变直流电机两端的有效电压，从而控制电机的转速。

测速：采用计数的方法。具体是通过单片机记单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速是M=N/S*60。

理论上，是先将转速转化为某一种电量来测量，如电压、电流等。在本设计中是将电量转化为脉冲频率的测量。基于这一思想，采用一对红外对管。在电机的转盘上开四个对称的开口，这样，转盘转一周，红外对管透光导通四次，输出四次脉冲，即完成转速/频率的转化。记单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速是M=N/S/4*60。

2、硬件设计与分析：

⑴.系统电路图

图1.系统电路图

⑵.调速调向模块——H桥驱动电路

图2.H桥驱动电路原理图

①当PWM1输入高电平，PWM2输入低电平，Q1、Q14、Q15导通，

Q2、Q13、Q16截止，电流有B流向A，电机正转。

②.当PWM1输入低电平，PWM2输入高电平，Q1、Q14、Q15截止，

Q2、Q13、Q16导通，电流有A流向B，电机反转。

③.PWM1和PWM2不能同时为高、低电平。

④.H桥原理分析：

H桥由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极导通实现下拉。由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载的极性倒过来。由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

图3所示为一个典型的直流电机控制电路。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图3及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

图.4 图.5

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

⑷测速模块

当红外对管通光导通时，NIA端输入低电平，OUT输出低电平；红外不导通，NIA端输入

高电平，OUT输出高电平；单片机采集OUT输出电平计数，就可以进行速率与电量的转化，达到测速的目的。

⑸电源滤波模块

⑹单片机控制模块

通过单片机发出PWM（脉冲宽度调制）控制直流电的转速、转向；单片机采集测速模块LM393

的输出量，进行计数、计算，将速度转换为电量；单片机将得到的电量通过位码、段码的选择控制，在数码管上显示。

3、软件设计与分析：

⑴软件总体分析

通过对按键的扫描检测来判断哪个按键按下，而后完成其对应的6种功能。

而在每个功能里面，通过双定时器中断来控制PWM的电平转换。

⑵本系统软件设计的特点：

①定时器中断控制电动机输入的电平转换。

本系统采用两个定时器中断，定时器零用来控制PWM的周期，定时器一用来控制高点平的持续时间。平时单片机执行主程序，当定时器零中断到来时，单片机输出一个高点平给电机并持续一小段时间，而后返回执行主程序；当定时器一中断到来时，单片机输出一个低电平给电机并持续一小段时间，而后返回执行主程序；如此反复。由于定时器的引入，使PWM调速的频率恒定，且节省CPU。

②查表直接实现跳转

当检测到按键按下时，单片机通过查表获知跳转子程序的地址，直接跳转至子程序。

③实现功能：

6个按键实现的功能如下：

1：正转 2：反转 3：启动 4：停止

5：分档加速 6：分档减速

⑶PWM调速方法的方案论证

PWM调速原理如图6所示

图6

根据改变占空比方法的不同，PWM调速可分为以下三种：

①定宽调频

这种方法是保持T1不变，只改变T2，使周期也随之改变。

②调频调宽

这种方法是保持T2不变，而改变T1，使周期也随之改变。

③定频调宽

这种方法是保持周期T不变，而同时改变T1和T2。

前两种方案由于在调速时改变了脉冲频率，故当控制脉冲频率与系统固有频率接近时，将会引起振荡，因此采用定频调宽。

4、附详细的硬件原理图及软件程序框图。

⑴系统电路图

⑵调速、调向模块PCB图

⑶测速模块PCB图

⑷硬件作品图

⑸程序框图

五、系统方案可行性实验验证：

1、实验设备

IBM PC机一台

DP-51PROC单片机综合仿真实验仪一台

2、实验原理

通过单片机产生可控的PWM波，来驱动H桥，根据需要来改变H桥中接电机的电压极性，从而改变直流电机的转向；通过控制单片机控制PWM的占控比，改变直流电机两端的有效电压，从而控制电机的转速。

3、实验步骤

⑴按系统电路图接线，调试完成；

⑵开启单片机，按下键盘启动按钮，电机正常旋转；

⑶按动键盘加速、减速、左转、右转、停止按键，分别实现预定功能。

⑷完成实验，收拾实验器械，整理。

4、实验结果

本系统采用定频调宽的单极性可逆PWM驱动来控制电动机的正反转，系统较为稳定；软件

上采用双定时器中断来控制电机输入电平的转换，节省CPU且使电动机输入脉冲频率恒定；人机界面采用键盘输入。

5、实验分析

通过系统调试,软硬件运行稳定,完全符合本设计的要求。

六、过程评估与改进

小组成员对直流电机转速及方向控制系统的设计和实现做了大量的工作,从开始的方案,软硬件的设计到组装调试以及最后的系统功能实现。本设计主要研究和创新在于：（1）针对系统的技术要求,提出采用以单片机为核心的控制方案;完成各类芯片的合理选型;(2)利用8051系列单片机作为控制的核心,完成了以8051单片机为控制系统核心的硬件设计,完成了输入模块,输出模块以及外围电路等模块的设计,实现了系统的预定功能。

本设计采用模块化设计思想，进行了单片机程序编写，对系统主程序的流程进行了分析，说明各模块的功能，最后调试通过，实现了各部分功能。

本次设计已经全部完成。通过这次专业课程设计使我们对单片机控制系统有了更深一步的了解。明白了实践与理论之间的联系，获益匪浅。这次做设计的经历也会使我们终身受益，我们感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破。希望这次的经历能让我们在以后学习中激励我继续进步。