直流电机调速控制系统设计说明书

基于单片机的直流电机调速控制系统

——设计说明书

院（系）：机电汽车工程学院

专业: 机械设计制造及其自动化

指导老师：刘鹏

组长：鲁云连

组内成员：鲁云连李保亭梁习

闵祥丽李绍勇宋义亮

2010-12-30

目录

课程设计任务书 (3)

设计项目简介 (4)

系统功能模块 (5)

硬件总体框图 (5)

PWM控制电路 (5)

开关控制模块 (8)

基于霍尔传感器的测速模块 (9)

LCD显示模块 (11)

其他电路简介 (12)

软件实现 (14)

单片机系统综合测试仿真

霍尔测速仿真 (15)

参考书目 (17)

总结心得 (18)

课程设计任务书

设计目标：基于单片机的直流电机调速系统

目标要求：

I以MCS-51系列单片机为核心，采用常用的电子器件；

II一个启动开关控制启动和停止，一个转向开关控制正转和反转；

III使用PWM脉冲宽度调制控制直流电机速度；

IV八位拨码开关负责设置占空比，进行脉冲宽度调制；

V可实现电机的正转、反转、刹车、滑行四种状态，并可根据占空比调节转速；

VI单片机采用12MHz时钟，具有常规的上电或手动复位电路；

VII可以显示实时转速，使用LCD或LED显示数码管；

VIII使用C语言或汇编语言编写源程序，并加注必要的注解说明；

IX编写项目功能说明书，确定应用系统的功能和具体参数；

X使用Protel设计电路原理图，并且使用Proteus进行仿真；

XI完成课程设计报告，其中包括设计项目简介、电路原理图、系统功能描述、程序框图、程序清单、心得总结、参考书目等内容。

设计项目简介

直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。在现代电子产品中，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。我们熟悉的录音机、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。

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。上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术得到广泛应用。

本系统就是利用PWM脉冲宽度控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。本系统中采用了市场上使用最广泛的AT89C51单片机，对单片机编写程序实现PWM信号的发生，然后通过光电隔离来减小强电系统和弱电系统之间的干扰影响，之后对PWM信号放大来驱动电机，根据八位转速开关来改变占空比，从而实现电机的调速控制。正反转调节也是通过单片机内部程序。

测速环节利用霍尔测速传感器收集1s内的脉冲数反馈给单片机，单片机内部程序进行运算，得到速度，并送LED单元显示转速。显示单元为1602型LCD，可以显示转速单位。利用4位LED快速动态扫描因显示效果不佳（无法显示单位字符），因而被舍弃。L298等电机控制芯片因只可以实现正反转和安全性保障，无法改变带电机转

速，被舍弃。

系统功能模块说明

总体框图

1．PWM控制电路

由三极管组成的H型PWM电路。用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，本设计在采用H桥功率驱动电路。

图2-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于

“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图1.1-1所示，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。

图4 H桥驱动电路

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2-2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 H桥驱动电机顺时针转动

图2-3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）。

图6 H桥驱动电机逆时针转动

驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。

本例中PWM控制电路

2.开关控制模块

该调速系统是通过八位拨码开关负责设置占空比，进行脉冲宽度调制。利用上拉电阻实现高电平的输出即采用开关常开为高电平输出，闭合开关实现低电平输出。进而实现程序的及时调用，实现电机不同级别的调速。

+5V

霍尔转速传感器和磁电式内部结构实际上是一样的，统称为霍尔元器件或磁感应传感器，其感应的东西是磁性物体；光电式转速传感器，基本用途有用在齿轮上，其工作原理是通过感测齿片的数量来间接感测齿轮的转速；其感测的物体

范围较广，但在一些无间隙，同光泽或相似光泽的物体上面会有误差产生，霍尔元器件克服了这一缺点。

利用霍尔元件测量转速是较为常用的的测量方法。市场上有较多的霍尔元件为3000系列霍尔开关传感器3010T ，它采用三端平塑封装，具有工作范围宽、外围电路简单、输出电平与各种数字电路兼容、可靠性高等优点。

霍尔元件测量电动机转速装置由一个测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮和带有霍尔元件的支架构成。测速齿轮如图所示，齿轮厚度大于2mm ，固定在待测电动机的转轴上。霍尔元件固定在距齿轮外圆1mm 的探头上，对面粘贴小磁钢。当测速齿轮的每个齿经过探头（磁钢和霍尔元件）正前方时，改变了磁通密度，霍尔元件就输出一个脉冲信号。

假定测速齿轮上共有K 个齿，显然每个齿经过霍尔元件都会引起一个脉冲信号，则电动机（齿轮）每转一周将总共产生K 个脉冲信号。如果单片机在1s 内检测到m 个脉冲信号，就表明电动机转过的周数n=m/K 。因为转速常用r/min 表示，所以结果需要在乘以60，即电动机转速V=60m/K (r/min)。

通过设置让定时器每50ms 产生一次中断，满20次即为1s 。此时统计计数器的计数值，就可以算出电动机转速。