基于51系列单片机的直流电机PWM调速系统设计说明

课程设计

设计题目：基于51系列单片机的直流电机PWM 调速系统设计

学院：机电工程学院

专业：机械工程及自动化

班级：机自07级01班

姓名：强艳梅

学号：

指导老师：敏

完成时间：2011年1月11日

目录

1 直流电动机调速概述 (4)

1.1直流电机调速原理 (4)

1.2直流调速系统实现方式 (5)

1.3 89C51单片机 (6)

2 硬件电路设计 (6)

2.1 PWM波形的程序实现 (6)

2.2直流电动机驱动 (7)

2.3续流电路设计 (8)

3 软件设计 (8)

3.1主程序设计 (8)

3.2 数码显数设计 (10)

3.3 功能程序设计 (11)

3.4仿真图 (15)

3.5 仿真结果分析 (16)

心得体会 (17)

参考文献 (18)

1 直流电动机调速概述

1.1直流电机调速原理

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

—励磁绕组本身的电阻；下公式：n=U/C cφ-TR/C r C cφ其中：U—电压；R

内

φ—每极磁通(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既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

图1-1 直流电机的工作原理图

电枢控制是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。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速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“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动

装置”。

图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图

V，占空比为根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为max

V=V*D，可见只要改变占空比D，就可以D=1t/T，则电机的平均速度为：D max

得

到不同的电机速度，从而达到调速的目的。

1.2直流调速系统实现方式

PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM 调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压

U不变的情况下，电枢端电压

d

的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持

t不

1变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）B、调宽调频法：保持t不变，只改变

t，这样使周期(或频率)也随之改变。（图1-2）C、定频调宽

1

法：保持周期T(或频率)不变，同时改变

t和t。（图1-2）

1

前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空

比从而改变直流电动机电枢两端电压。

1.3 89C51单片机

图 1-3 89C51单片机

2 硬件电路设计

2.1 PWM 波形的程序实现

随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM 波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz 定 时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms ，若PWM 波形的频率为50 Hz ，占空比为1：

1，则和 R0载入30H 和31H 单元的

值初始100,

若在程序中利用按键产生中断调用来改

变30H 和

31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：

图2-1 程序流程图

2.2直流电动机驱动

在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机

图2-2 L298部结构和功能引脚图

L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱

动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其部有两个完全相同的功率放大回路。其部结构和引脚功能如图2-2所示。

L298 引脚符号及功能

SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA 、ENB：使能端，输入PWM信号

IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号

OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑

VCC：逻辑控制电源，4.5~7V GND:地

VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高

当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。当使能端为低电平时,电动机停止转动。

2.3续流电路设计

由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。

由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。为保护芯片加上洗续流电路。电路的工作原理替如图3.7所示。

电路的工作原理：

当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。

图2-3 续流电路工作原理图

3 软件设计

3.1主程序设计

该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.

ORG 0000H

AJMP START

ORG 0003H

LJMP INT0；T0中断

ORG 000BH

LJMP ITT0；T1中断