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1、控制系统课程设计基于单片机控制直流电机的设计姓名：张晓强班级：自动化063班学号：2006022085指导教师：张金凤基于单片机控制直流电机的设计前言直流电机的电枢绕组是由绕组元件、换向器和电刷组合的整体。“直流无刷电动机”,确切地说,应是直流无刷电动机系统,其中电机本体的电枢绕组仅由全体线圈所组成。“无刷”的主要含义,意指对照直流电机的电枢绕组是取消电刷的;电机本体的转子常由永磁体励磁,所以转子上也没有滑环和电刷,但这并不是电机本体称作“无刷”的主要理由。电机学中已阐明:直流电机电枢绕组的绕组元件内,电动势和电流都是交变的。直流电动机和发电机都能够产生单一
2、转向的电磁力矩,因而,直流电动机具有起动能力。当其他条件不变时,改变流经电刷的直流电流大小,可以调节直流电动机的电磁力矩;改变施加于正、负两电刷间的直流电压大小,可以控制电动机的转速。在生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且要求有良好的稳态、动态性能。直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能,在高性能的拖动技术领域中,相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。为了深入地分析控制原理在直流调速系统中的应用,对从开环系统到脉宽调制(PWM)系统等4种直流调速系统进行了仿真对比实验,并作出了分析比较。本设计以AT89C51单片机为
3、核心，以4*4矩阵键盘做为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。1设计方案比较与分析1.1电机调速控制模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响
4、应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿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，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。1.2PWM调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电
5、动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。1.3PWM调脉宽方式：调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。（脉宽调制控制电路，是利用半导体晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压
6、脉冲序列，控制电压脉冲的宽度或周期已达到变压的目的，或可控制电压脉冲的宽度或周期已达到变压变频的目的。）1.4PWM软件实现方式：方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。2系统分析与设计总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.0与P2.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另
7、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。电动机的运转状态通过LED显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时数字向右移动，反转时数字向左移动。移动速度分7档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时，停止时LED显示出本次运转所用时间，时间精确到0.1s。2.1系统的硬件电路设计与分析图1系统总体框图电动机PWM驱动模块的电路设计与实现具体电路见下图2。本电路采用的是基于PWM原理的H型桥式驱动电路。图2电动机驱动电路图PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成，四部分
8、晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决
