直流电机PWM调速系统参考论文

毕业论文

基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

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摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。

关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机

I

目录

目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.1.2 开发背景 (1)

1.1.3 选题意义 (2)

1.2 研究方法及调速原理 (2)

1.2.1 直流调速系统实现方式 (4)

1.2.2 控制程序的设计 (5)

2 系统硬件电路的设计 (6)

2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6)

2.2 STC89C51单片机简介 (6)

2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6)

2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (7)

2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (8)

2.2.4 STC89C51引脚功能 (8)

3 PWM信号发生电路设计 (11)

3.1 PWM的基本原理 (11)

3.2 系统的硬件电路设计与分析 (11)

3.3 H桥的驱动电路设计方案 (12)

5 主电路设计 (14)

5.1 单片机最小系统 (14)

5.2 液晶电路 (14)

5.2.1 LCD 1602功能介绍 (15)

5.2.2 LCD 1602性能参数 (16)

5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (18)

5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (19)

5.3 按键电路 (20)

5.4 霍尔元件电路 (21)

III

5.4.1 A3144霍尔开关的工作原理及应用说明 (22)

5.4.2 霍尔传感器测量原理 (23)

6 系统功能调试 (24)

总结 (25)

致谢 (26)

参考文献 (27)

IV

1 引言

1.1 课题背景

1.1.2 开发背景

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机

直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材、特种加工、轻工业、输送设备车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备等行业中。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。

尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。

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1.1.3 选题意义

直流电机拥有有良好的起制动性能，可应用于在大范围内的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。在控制角度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，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。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。

1.2 研究方法及调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式：

2

φ（公式 1-1）

n=U/C

cφ-TR内/C r C c

其中：

—励磁绕组电阻；

U—电压；R

内

φ—磁通(Wb)；C c—电势常数；C r—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但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气隙,使电机中电路和磁场发生相对运动.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,换向器和转轴等构成，如图1-1所示：

图1-1 直流电机的工作原理图

电枢控制即在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内

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