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1、学校代码 10722 学 号 分类号 密 级 公 开 本科毕业论文（设计）题目：基于单片机的直流电动机的控制(中、英文) Control of DC motor based on SCM作 者 姓 名： 专 业 名 称：电气工程及其自动化学 科 门 类： 工 科 指 导 教 师： 提交论文日期： 二0一四年五月 成 绩 评 定： 摘 要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
2、集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、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。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。关键词：直流电动机；转速控制；方向控制AbstractAlong with the development of microelectronics and computer technology, the requ
3、irement of the dc motors quantity grows day by day, it is widely used in printers, electric toys and other consumer products as well as the numerical control machine tools, industrial robots, medical equipment and other mechanical and electrical products, and applied in all professions and trades of
4、 the national economy.Study of dc motor control system, to improve the control precision and response speed, energy conservation is of great significance. Because singlechip has advantages of high integration, strong processing power, good reliability and the characteristics of simple structure, low
5、 cost as well as easy to use, so the paper uses the 51 series microcontroller design the control system, the whoie design include hardware design and software design two parts.Among them, the hardware design mainly includes the SCM minimal system, the keyboard control module, dc motor driver module,
6、 reset circuit module, crystals circuit module, and other function modules design.Software design includes the main program and each module control program.Thereby do realize the function of controlling the rotation direction and speed.The system has the characteristics of intelligence, practicality
7、 and reliability.Keywords: dc motor;speed control;direction control目 录摘 要2Abstract31 绪论41.1 研究背景41.2 研究价值41.3 研究内容42 直流电动机简介52.1 直流电动机的工作原理及其构造52.2 直流电动机的PWM调压调速原理63 控制系统的总体设计63.1 设计方案分析与比较63.2 系统结构设计93.3 单片机89C51简介93.4 L298N电动机驱动芯片简介104 硬件设计114.1 单片机系统电路114.2 复位电路124.3 时钟电路134.4 直流电机驱动电路144.5 键盘电路1
8、55 软件设计165.1 单极性可逆电动机驱动系统的电动机启停、正反转控制165.2系统总体流程设计176 仿真调试196.1 Keil C51软件简介196.2 Proteus仿真软件简介196.3 调试20总结23参考文献24附录26谢辞281 绪论1.1 研究背景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，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。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
9、，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、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 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，为此可考虑开发电机
10、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。1.3 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2.1 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
11、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
12、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，在转轴上电枢
13、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。2.2 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 （2-1）Error! No bookmark name given.式中：U电枢端电压；I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量；K电动机结构参数。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。绝大多
14、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：U0=(t1US+0)/(t1+t2)=t1US/T=Us (2-2)式中Us为电源电压，T为一个脉冲周期，t1表示在一个周期T内开关导通的时间，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01。当电源电压Us不变，改变即可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。3 控制系统的总体设计3.1 设计方案分析与比较1、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
15、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。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。综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三
