直流电机控制系统设计

XX大学课程设计（论文）题目直流电机控制系统设计班级学号学生姓名指导教师沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称专业基础课程设计院（系）自动化学院专业测控技术与仪器班级学号姓名课程设计题目直流电机控制系统设计课程设计时间:2012年7月9日至2012年7月20日课程设计的内容及要求：1.内容利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。2.要求（1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。（2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。（3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。（4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。（5）完成系统硬件电路的设计。（6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日目录0前言.......................................................................................................................11总体方案设计.........................................................................................................21.1系统方案...........................................................................................................................21.2系统构成...........................................................................................................................21.3电路工作原理...................................................................................................................21.4方案选择...........................................................................................................................32硬件电路设计.........................................................................................................32.1系统分析与硬件设计.......................................................................................................32.2单片机AT89C52..............................................................................................................32.3复位电路和时钟电路.......................................................................................................42.4直流电机驱动电路设计...................................................................................................42.5键盘电路设计...................................................................................................................43软件设计...............................................................................................................53.1应用软件的编制和调试...................................................................................................53.2程序总体设计...................................................................................................................53.3仿真图形...........................................................................................................................74调试分析................................................................................................................95结论及进一步设想..................................................................................................9参考文献....................................................................................................................10课设体会....................................................................................................................11附录1电路原理图....................................................................................................12附录2程序清单.......................................................................................................13直流电机调速系统设计XXXXX大学自动化学院摘要：本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。关键词：单片机最小系统；PWM；直流电机调速;0前言电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。21总体方案设计1.1系统方案针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次课程设计以AT89C52单片机为核心，以5个弹跳按钮作为输入端，达到控制直流电机的正转、反转、停止、加速、减速。在设计中，采用PWM技术对电机进行控制。1.2系统构成该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下5个部分组成：输入模块，AT89C52单片机，电源模块，驱动模块，直流电机。系统原理框图如图1所示。图1系统原理框图1.3电路工作原理根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，认为机械特性方程式为：n=UN/(KeφN)-(Rad+Ra)/(KeKtφ2N)T=n-△n（公式1-1）式中UN，φN----------额定电枢电压、额定磁通量；Ke，Kt---与电机有关的常数；Rad，Ra-----电枢外加电阻、电枢内电阻；n，△n—理想空载转速、转速降。分析公式1-1可得，当分别改变UN、φN和Rad时，可以得到不同的转速n，从而实现对速度的调节。由于φ=T，当改变励磁电流If时，可以改变磁通量φ的大小，从而达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流If和磁通量φ只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Rad时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达AT89C52输入模块电源模块驱动模块直流电机3到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过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”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。当我们改变占空比时，可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。1.4方案选择方案一：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。但是电阻网络智能实现有级调速，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