基于单片机的直流电机速度控制系统毕业论文

xygongkui

随着微电子和计算机技术的发展， 直流电机的要求量与日俱增， 它广泛用于
打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产
品中，并在国民经济各个领域都有应用。研究直流电机的控制系统， 对提高控制
: ^) z0 h0 d; t! y; V; }精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
因为单片机具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、
+ c8 G3 R% K( M# w  N* `易于使用等优点，所以论文采用51 系列单片机进行控制系统的设计，由硬件设
; Y! u: G5 F. R8 u. m计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制
模块、直流电动机驱动模块、复位电路模块、晶振电路模块等功能模块的设计。
$ E2 \4 _: L& G# G软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序， 最终实现对直流电机转动方向及
转动速度的控制。系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
! j: a. F) @! i0 z
3 w1 `' d9 i) n; \7 ~; U1.1 研究背景
6 r' Z# i0 }1 A5 @9 }直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，
  f) E$ ~* a6 z! s% Z" Z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， 高效率， 优异的动态特性， 现在仍是大多数调速控制电动机的
4 H9 V1 k0 L* H. ]3 d+ r最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。
' ~# F3 I; o9 L3 L近十几年来，单片机作为微计算机一个很重要的分支， 应用广泛，发展迅速，
已经对人类社会产生了深远的影响。单片机在生产过程控制、自动检测、数据采
集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片
" y7 B8 e8 w6 Y) \, n0 H机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，尤其是美
( {# S" u8 `. C$ c! O4 \! \: e+ o国Intel 公司生产的MCS-51 系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、
2 i9 L  W6 w" t5 h- j# B可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点， 在我国已经得到广泛的应用。
1.2 研究价值
" V8 G6 q9 `; U2 |以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制， 现在单片机已经开
) c. z$ _' G! n始取代模拟电路作为电机控制器。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化
9 Q9 P0 A4 ?- ^+ K- E4 K1 K+ Z和复杂化， 现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求， 为此可考虑
; a! A  \, W1 T! Q( D开发电机的新型单片机控制器，因此研究电机的调速控制有着非常重要的意义。
% v# J, `- V1 R& t1.3 研究内容
本设计实现的是用单片机来控制直流电机， 其中通过4 位按键来实现电动机
的启停、正反转、加速、减速。调速系统主要是通过调节PWM的占空比大小来实
现。
2 直流电动机简介
) D( C/ G; N3 J2.1 直流电动机的工作原理及其构造
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置， 它的主要
; m; u# q( z7 l8 k3 j- @* W作用是产生驱动转矩， 作为用电器或各种机械的动力源。直流电动机的励磁线圈
两个端线通有相反方向的电流， 使整个线圈产生绕轴的扭力， 使线圈转动。为使
+ E9 t6 K* p6 T& w8 s  r' ^电枢受到一个方向不变的电磁转矩， 关键在于当线圈边在不同极性的磁极下， 将
流过线圈中的电流方向及时地加以变换， 即进行所谓“换向”。为此必须增添一
个叫做换向器的装置， 换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个
方向，就可以使电动机能连续的旋转。
直流电动机的构造分为定子与转子两部分。定子包括：机座，主磁极，换向极，电
刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。
（1）定子
定子就是发动机中固定不动的部分， 它主要由机座、主磁极、换向级和电刷
6 j3 }$ Q$ t' L" j" ?4 k装置组成。机座不仅起到导磁的作用， 而且会起到机械支撑的作用。主磁极的作
& b6 X; o( G; i) d用是在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密， 也称主极。一般
4 R5 ~0 H2 }1 }: G4 Q大多数直流电机的主磁极都是由直流电流来励磁， 因此主磁极上还应该装有励磁
线圈。换向级一般用整块钢板构成， 且外面套有换向级绕组。换向级绕组导线的
截面积比较大， 而匝数比较少， 是因为换向级绕组里有电枢电流流过。电刷装置
的作用是把电动机转动部分的电流引出到静止的电路里。电刷一般情况下与换向
器配合使用。
（2）转子
转子是电动机的转动部分， 主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生
4 U8 L$ x( w0 b+ \( z3 [: N感应电动势的部分， 主要包括电枢铁芯和点数绕组。电枢铁芯成圆柱形， 由硅钢
片叠成，表面冲有槽， 槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁
力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器
. T! Q0 s' z0 v/ r又叫做整流子， 对于直流电动机来说是一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成， 片
8 ^& N! Q8 i1 m  Z% D" B7 U- K间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上， 用压圈固定后成为换向器再压装， 在
  f5 Z) p) a+ h8 G5 `3 S' C. A* E转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。固定的电刷被
换向器用弹簧压在表面， 进而让转动着的电枢绕组同外电路连接到一起， 与此同
时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。
$ `( y% J+ k5 V2.2 直流电动机的PWM调压调速原理
直流电动机转速n 的表达式为：
n=(U-IR)/K Φ （2-1 ）错误！未指定书签。
! X1 L5 ~* R  b; F9 E, s- E/ x9 \式中： U——电枢端电压； I ——电枢电流； R——电枢电路总电阻； Φ——每极
磁通量； K——电动机结构参数。
; H2 Y( L" o# W2 Z& L/ X% c& U由式2-1 可以看出，直流电动机的转速控制方法可分为对励磁磁通进行控制
的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。本设计使用的是励磁恒定不
变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
( Y2 P+ f5 @7 C5 E( g" o( Z绝大多数直流电动机使用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件
工作在开关状态， 通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压， 实现调速。此时电
动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：
* C" D; j4 l2 b0 b( U9 {U0=(t 1US+0)/(t 1+t 2)=t 1US/T= αUs (2-2)
式中Us 为电源电压， T 为一个脉冲周期， t 1表示在一个周期T 内开关导通的
8 \% v3 N4 x7 A6 L; X) B时间， α 为占空比，表示一个周期T 内开关导通时间与周期的比值，变化范围
为0≤α≤1。当电源电压Us 不变，改变α 即可改变端电压的平均值，从而达到
& ^0 ~% c# E- h: v4 y' O# P调速的目的。
% E% ]" B* ?9 x3 控制系统的总体设计
3.1 设计方案分析与比较
/ F  j# n3 Z! A4 T9 V# X9 V& j1、电动机调速控制模块
方案一：电动机的分压是采用电阻网络或数字电位器调整， 进而实现速度的
控制。但是采用电阻网络仅能实现的是有级调速， 采用数字电阻元器件的价格较
, s2 q: @' T7 Y; M为昂贵。最重要的是一般电动机的电阻很小电流很大， 尤其是在分压的时候不仅
会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
3 E. h, L8 G; S6 H- r6 G方案二：若使用继电器来对电动机的开（关）进行控制，通过开关的切换来
实现电动机的加减速。该方案的优点是电路简单， 存在的缺点是继电器的响应时
$ u& b- O$ G5 e& X+ v+ |- x8 }5 A间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。
方案三：若使用由达林顿管组成的H型PWM电路，单片机可控制达林顿管工
作在可调节占空比的状态， 从而调整电动机的速度。由于这种电路工作在管子饱
$ u( m; O( ?: `* s5 r3 F- c和和截止状态下，效率很高； H型电路可以实现较为简单的方向和速度的控制；
电子开关的速度快、稳定性好，是一种极为广泛的PWM调速技术。
+ M( Z! M2 C/ X* E4 M6 e综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。
2、PWM调速工作方式
9 V% _  \3 g% c' n方案一：双极性工作方式， 是在设定的一个脉冲信号周期内， 单片机有两个
控制端口各输出一个控制信号， 通过两信号的高低电平差值来决定电动机的方向
和速度。
方案二：单极性工作方式， 是单片机的控制端口接地， 另一端输出PWM信号，
' i" `& S9 e2 E1 y% V切换两口的输出来调节PWM的占空比，进而可控制电动机的方向和速度。
% p7 x5 u5 J4 |8 j. j% ^因为双极性工作制电压波中的交流成分比单极性工作制的大， 电流波动也较
大，所以本设计采用了单极性工作制。
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