直流电机PWM调速控制系统
基于单片机STC89C52的直流电机PWM调速控制系统
第一章:前言Pwm 电机调速原理对于电机的转速调整，我们是采用脉宽调制（PWM）办法，控制电机的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。
不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变在始能端EN1 和EN2 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速。
此电路中用微处理机来实现脉宽调制，通常的方法有两种：（1）用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。
（2）硬件实验自动产生PWM 信号，不占用CPU 处理的时间。
这就要用到STC89C52的在PWM模式下的计数器1，具体内容可参考相关书籍。
51 单片机PWM 程序产生两个PWM，要求两个PWM 波形占空都为80/256,两个波形之间要错开，不能同时为高电平！高电平之间相差48/256，PWM 这个功能在PIC 单片机上就有，但是如果你就要用51 单片机的话，也是可以的，但是比较的麻烦.可以用定时器T0来控制频率，定时器T1 来控制占空比：大致的的编程思路是这样的：T0 定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1，而这个T1 是让IO 口输出低电平，这样改变定时器T0 的初值就可以改变频率，改变定时器T1 的初值就可以改变占空比。
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。
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计
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。
示数码管显PWM单片机按键控制电机驱动基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。
PWM单闭环直流调速控制系统设计方案稿
PWM单闭环直流调速控制系统设计方案稿一、概述本文将介绍一种基于PWM单闭环直流调速控制系统的设计方案。
该控制系统采用先进的数字信号处理技术，结合现代控制理论，实现了对直流电机的速度闭环控制。
通过控制电机的输入电压和电流，可以实现对电机的速度和转矩的调节。
二、系统组成系统由控制器、电源、电机、位置传感器等组成。
1. 控制器控制器采用单片机作为核心，结合高性能数字信号处理器（DSP）实现对直流电机的控制。
控制器的输入信号包括电机的速度信号和电流信号，输出信号为PWM波形输出信号。
控制器还可以接受外部命令，以实现自动控制。
2. 电源电源模块主要提供DC电压和电流，以驱动电机运转。
电源还需要具备良好的稳定性和可靠性，以确保电机的顺畅运行。
3. 电机电机是系统中最重要的组成部分，它产生的动力能够驱动机械系统的运动。
电机主要由电路板、转子和定子组成。
电机所选定子是具有良好导电、高强度、低热膨胀系数、低扭矩波动等性能的材料。
4. 位置传感器位置传感器主要用于检测电机的运动状态和位置。
这里采用霍尔效应传感器，它可以通过感应磁场的变化来检测转子位置和转速。
三、控制原理PWM（Pulse Width Modulation）可以用来控制电机的速度和转矩，可实现大功率的低损耗控制，是电动汽车等应用领域的重要技术。
PWM单闭环直流调速控制系统采用电流控制和速度控制两个环节，实现对直流电机的闭环控制。
电流控制环节主要用来控制电流大小和方向。
在此环节中，通过对电机的PWM控制信号来控制电机的输入电流，可以实现对电机转矩的调节。
2. 速度控制环节本系统的控制器选用TI的C2000系列数字信号处理器作为核心，主要用于PWM输出信号的实现和电机控制功能的实现。
该数字信号处理器具有高性能、低功耗、高可靠性等优点，能够满足本系统的控制要求。
控制器主要由PWM模块、ADC模块、PID控制器、位置检测器等组成。
其中，PWM模块用来实现电机的PWM信号输出，ADC模块用来实现电机的电流量测和速度量测，PID控制器用来根据电机的速度信号和目标速度信号计算出PWM信号，位置检测器用来检测电机的位置。
单片机课程设计PWM直流电动机调速控制系统方案
单片机原理及应用—— P W M直流电机调速控制系统概括直流电动机具有良好的启动性能和调速特性。
具有起动转矩大、调速平稳、经济大范围、调速容易、调速后效率高等特点。
本文设计的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、霍尔测速电路和独立按键组成的电子产品组成。
电源采用78系列芯片，采用PWM波方式实现电机+5V、+15V调速，PWM为脉宽调制，通过51单片机改变占空比实现。
通过独立的按键实现电机的启停、调速和转向的手动控制，LED实现测量数据（速度）的显示。
电机转速采用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机统计1秒内方波脉冲个数，计算电机转速，实现直流电机的反馈控制。
关键词：直流电机调速； H桥驱动电路； LED显示屏; 51单片机目录摘要2摘要错误!未定义书签。
目录3第 1 章引言41.1 概述41.2 国外发展现状41.3 要求51.4 设计目的及6第 2 章项目论证与选择72.1 电机调速模块72.2 PWM调速工作模式72.3 PWM脉宽调制方式错误!未定义书签。
2.4 PWM 软件实现错误!未定义书签。
第三章系统硬件电路设计83.1 信号输入电路83.2 电机PWM驱动模块电路9第 4 章系统的软件设计104.1 单片机选型104.2 系统软件设计分析10第 5 章 MCU 系统集成调试135.1 PROTEUS 设计与仿真平台错误!未定义书签。
18传统开发流程对比错误!未定义书签。
第一章简介1.1 概述现代工业的电驱动一般要求部分或全部自动化，因此必须与各种控制元件组成的自动控制系统相联动，而电驱动可视为自动电驱动系统的简称。
在这个系统中，生产机械可以自动控制。
随着现代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动电驱动正朝着计算机控制的生产过程自动化方向发展。
以实现高速、高质量、高效率的生产。
在大多数集成自动化系统中，自动化电力牵引系统仍然是不可或缺的组成部分。
直流电机的PWM冲调速控制技术
直流电机的PWM冲调速控制技术直流电机的PWM冲(宽度调变)调速控制技术为调节马达转速和方向需要对其直流电压的大小和方向进行控制。
目前，常用大功率晶体管脉宽调制（PWM）调速驱动系统和可控硅直流调速驱动系统两种方式。
可控硅直流（SCR）驱动方式，主要通过调节触发装置控制SCR 的导通角来移动触发脉冲的相位，从而改变整流电压的大小，使直流电机电枢电压的变化易平滑调速。
由于SCR本身的工作原理和电源的特点，导通后是利用交流过零来关闭的，因此，在低整流电压时，其输出是很小的尖峰值的平均值，从而造成电流的不连续性。
由于晶体管的开关响应特性远比SCR 好，因此前者的伺服驱动特性要比后者好得多。
所谓脉冲宽度调变(Pulse Width Modulate 简称 PWM)信号就是一连串可以调整脉冲宽度的信号。
脉宽调变是一种调变或改变某个方波的简单方法。
在它的基本形式上，方波工作周期（duty cycle）是根据输入信号的变化而变化。
在直流电机控制系统中，为了减少流经电机绕线电流及降低功率消耗等目的，常常使用脉冲宽度调变信号(PWM)来控制交换式功率组件的开与关动作时间。
其最常使用的就是借着改变输出脉冲宽度或频率来改变电机的转速。
图1 PWM 脉冲宽度调变信号图若将供应电机的电源在一个固定周期做ON及OFF的控制，则ON的时间越长，电机的转速越快，反之越慢。
此种ON与OFF比例控制速度的方法即称为脉冲宽度调变，ON的期间称为工作周期(duty cycle)，以百分比表示。
若直流电机的供应电源电压为10伏特，乘以20%的工作周期即得到2伏特的输出至电机上，不同的工作周期对应出不同电压让直流电机转速产生不同的变化。
若直流电机的供应电源电压为10伏特，乘以20%的工作周期即得到2伏特的输出至电机上，不同的工作周期对应出不同电压让直流电机转速产生不同的变化。
PWM产生器方块图如下图所示，计数器采下数计数器与上数计数器的两种PWM讯号。
基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计实现分析
基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计实现分析1.引言直流电机广泛应用于各个领域，如工业控制、机器人等。
调速系统是直流电机应用中非常重要的一部分，直流电机的调速在一定范围内能够满足不同负载需求。
本文将介绍基于FPGA的直流电机PWM调速系统的设计实现分析。
2.系统设计2.1系统架构设计基于FPGA的直流电机PWM调速系统主要包括FPGA、PWM控制器、驱动电路和直流电机。
其中，FPGA负责进行调速算法的运算和时序控制，PWM控制器用于生成PWM信号，驱动电路控制直流电机的转速和方向。
2.2算法设计调速算法一般采用PID控制算法，通过测量直流电机的转速和负载情况，计算出PWM占空比，并调整PWM信号的频率和占空比以实现电机的调速。
在FPGA中，可以使用硬件描述语言（HDL）进行算法实现。
使用VHDL或Verilog等HDL语言，编写PID控制器、计数器和状态机等模块，实现调速算法的运算和时序控制。
3.系统实现3.1FPGA的选择FPGA是可编程逻辑芯片，具有灵活性和高性能的特点。
在选择FPGA 时，需要考虑系统的性能需求、资源使用和开发成本等因素。
常用的FPGA型号包括Xilinx系列和Altera（Intel）系列等。
3.2PWM控制器设计PWM控制器的设计主要包括频率和占空比的控制。
可以使用计数器和状态机实现PWM信号的生成。
计数器用于计数并产生PWM控制信号的频率，状态机用于控制计数器并调整PWM占空比。
3.3驱动电路设计驱动电路主要负责将FPGA生成的PWM信号转化为适合驱动直流电机的电压和电流信号。
驱动电路一般包括功率放大器、H桥驱动模块和电流反馈模块等。
通过控制H桥驱动模块的开关，可以实现直流电机的正反转和调速功能。
4.总结本文介绍了基于FPGA的直流电机PWM调速系统的设计实现分析。
通过使用FPGA进行调速算法的运算和时序控制，实现了对直流电机的精确调速。
系统设计包括FPGA选择、PWM控制器设计和驱动电路设计等。
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
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 (3)1 设计要求及主要技术指标： (4)1.1 设计要求 (4)1.2 主要技术指标 (5)2 设计过程 (6)2.1 题目分析 (9)2.2 整体构思 (10)2.3 具体实现 (12)3 元件说明及相关计算 (14)3.1 元件说明 (14)3.2 相关计算 (15)4 调试过程 (16)4.1 调试过程 (16)4.2 遇到问题及解决措施 (20)5 心得体会 (21)参考文献 (22)附录一：电路原理图 (23)附录二：程序清单 (24)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；PWM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。
1.1 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。
基于PWM控制直流电机自动调速系统设计
1 绪论1.1 课题的研究背景和意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。
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直流电机PWM调速控制系统
摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。
关键词：无刷直流电机模型仿真
1、引言
随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。
本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。
文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。
2、无刷直流电机的数学模型
以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。
方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。
采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。
为简化数学模型的建立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。
并作以下假设[2]：
(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)；
(2)定子齿槽的影响忽略不计；
(3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计；
(4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗；
(5)三相绕组完全对称。
无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。
因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。
由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。
对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3]
式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。
在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为
式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。
无刷直流电动机的电磁转矩方程为：
式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。
无刷直流电动机的运动方程为：（4）
式中：为负载转矩；f为粘滞阻尼系数；j为转子与负载的转动惯量。
3、无刷直流电机及其调速系统仿真模型的建立
在matlab/simulink环境下，根据无刷直流电动机的数学模型、电压方程式及电磁转矩方程，可得到如图1的仿真模型。
该系统主电路由直流电源模块、逆变器模块和直流无刷电动机本体模块组成；模型控制部分由转速给定模块n、转速调解器模块asr、pwm脉宽调制器和控制器单元模块等组成。
其模型如图1所示：
转速调解器模块输出脉宽控制信号，并通过脉宽调制器调节脉冲宽度，用于根据转速调节无换向器电动机的三相电压。
由于bldcm 控制系统要求的相电流为方波电流，pwm调制信号，只需为等幅、等宽、等距的信号，则由一个固定频率的三角波及直流电压信号的合成就可产生出所需的信号[4]。
控制器单元controller模块的作用是根据转子磁极位置分配电动机三相绕组的通电，即控制逆变器模块6个开关器件的开关次序由simulink／psb下提供的3对mosfet功率开关器件，各自并接反并联续流二极管，构成三相逆变桥。
4、实例仿真
为了验证所建模型的功能及其正确性，根据实际系统构建了一个完整的pwm调速系统仿真模型。
本例中仿真电机额定电压为300v，额定转速为2000r/min，定子电阻r为4.765
ω，定子电感l-m为0.0085h，转动惯量j为0.008kg
·m2，励磁磁通为0.1848wb，励磁脉冲宽度120°，极对数p为2，转速调解器的比例系数为10.7，积分系数为0.15，负载转矩为1.5n·m模型的仿真结果如图所示，其中图2为给定2000r/min带载1.5n·m启动时的转速响应，启动时电机转速略有超调后进入状态，稳态转速波动很小。
图2为转速波形图，图3为电动机转矩波形。
图4为a相反电动势波形，图5为a相定子电流波形。
可以看到无换器电动机电流呈交流方波，由于电压采用了pwm控制，在120°导通区间内电流有脉动，这使电动机电压和转矩也产生一定脉动。
在起动初始阶段．转矩有较大峰值，这是因为在无刷直流电动机起动时．无刷直流电动机的反电动势还役来得及建立起来，相电流较大，造成转矩峰值；在反电动势建立起来后，转矩迅速降到稳态值，转矩脉动很小。
以上波形与无刷直流电动机的理论波形吻台。
充分说明建立的无刷直流电机控制系统仿真模型是准确的，且行之有效。
5、结语
在分析无刷直流电动机数学模型的基础上，建立了一种基于matlab／simulluk和simpowersystem的无刷直流电动机pwm调速系统的仿真模型。
仿真结果验证了仿真模型的有效性和正确性。
参考文献
[1]bolopion a，jouve d，pacaut r. control of permanent magnets synchronous machines a simulation comparative surve.
ieee proceeding from applied powerelectronic conference and exposition. 1990，374-383）
[2]纪志成,沈艳霞,姜建国.基于 matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法系统仿真学报,2003,15(13):1745-1758
[3]pillay p，krishnan r. modling，simulation，analysis of permanent-magnet drives,part
π:the brushless dc motor drive.ieee trans on industry applications.1989,25(2):274-279
[4]肖耀南.无刷直流电动机驱动控制系统研究.湖南大学硕士学位论文,2005.
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