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1、合肥师范学院毕业设计 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） (2015(2015 届届) ) PWM 数字直流电机调速 院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 指导教师 2014 年 5 月 目 录 目 录.II 摘 要1 合肥师范学院毕业设计 II ABSTRACT2 1 绪论 3 1.1 研究背景.3 1.2 国内外研究现状.2 1.3 研究的目的与意义 3 2 系统总体设计 3 2.1 设计要求 3 2.2 系统设计方案 4 2.2.1 系统框图 4 2.2.2 主控芯片选择 4 2.2.3 电机调速模块的选择 5 2.2.4PWM 调速方式的选择.6 3 系统
2、硬件设计 6 3.1 最小系统设计.6 3.1.1 复位电路 7 3.1.2 晶振电路 8 3.2 键盘控制电路.9 3.3 直流电机电机驱动电路.10 4 系统软件设计 .11 4.1 主程序流程图.11 4.2 读按键子程序流程图 12 4.3 按键处理子程序流程图.13 4.4 电机控制中断程序流程图 14 5 系统调试与改进 .15 5.1 调试与改进.15 合肥师范学院毕业设计 III 5.2 运行结果.16 结论与展望.19 致谢.20 参考文献.21 附录 A：系统原理图 .22 附录 B：系统 PCB 图 .23 附录 C：系统源程序 .24 合肥师范学院毕业设计 1 摘摘 要
3、要 本文是基于对直流电机 PWM 调速器设计的研究，主要实现对直流电机的控制。本设 计主要是实现 PWM 调速器的正转、反转、减速、加速、停止的五大操作。并实现电路的 仿真并设计实际电路进行控制。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了 STC89C51 单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，驱动模块，实现通过 PWM 波对电动机 转速参数的改变和测量；由命令输入模块、H 型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘 作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给电路发送 PWM 波形，完成电机正反转控 制.是通过 H 型驱动电路，采用 PWM 调速方式，通过改变 PWM 的占空比从而改变电动 机的
4、电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了 大量的集成电路模块，大大简化硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统 的性能得到提高。 合肥师范学院毕业设计 2 Abstract This article is a DC motor PWM speed control design study, the main achievement of motor control. This course is primarily designed to achieve PWM speed controller for forward and reverse, acce
5、leration, deceleration, and stop such an operation. And to achieve the circuit simulation. To achieve system, microcomputer control, in the design, using STC89C51 microcontroller control system as a whole, the core of the control circuit drive module enables the motor speed parameter display and mea
6、surement; from the command input module, Optical isolation module and H-drive module. With the stand-alone keyboard with a break as a command input, single-chip in the process control, continuing to the optical isolation circuit to send PWM waveform, H-type motor driving circuit to complete positive
7、 inversion control. In the design, using PWM speed mode, by changing the PWM duty cycle to change the motor armature voltage, so as to realize the speed of the motor. Design of the control system hardware structure with a large number of integrated circuit modules, greatly simplifying the hardware c
8、ircuitry to improve stability and reliability of the system so that the whole system performance is improved. Key words: STC89C51 microcontroller; PWM speed; positive inversion control 合肥师范学院毕业设计 3 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 在电气行业中，随着各项技术水平的不断提高，使得传统工艺有了深层次的提高， 对人类的生产与生活，产生了深刻且深远的影响，已经与我们息息相关。 当需要良好的启动，制动性
9、能，并需要大范围内平滑调速时，直流电机是一个很好 地选择，因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且 从自动控制的角度看 ，直流调速还是交流调速，电机拖动与基础都是该领域的基础。由 模拟电路、运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成的直流电机调速控制 系统大多数都为早期的控制系统,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不 灵活、调试困难, 触发精度易受电网电压波动的影响，触发脉冲不对称度较大，调节器中 的运算放大器，因网压和温度变化引起的漂移会产生运算误差，模拟器件老化也会引起 运算误差，甚至使已经整定好的系统性能变差，这些都使直流电机控制技术的发
10、展和应 用范围被阻碍。随着单片机及一系列可编程逻辑控制器的发展，许多控制功能及其算法， 均可使用软件技术来完成，大大的提高了电机控制的灵活性，快速性，使系统变得更加 稳定而且使系统能达到了更高的性能,从而大大节约了人力资源,降低了系统成本,有效地提 高了工作效率。 单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化、可靠性好、适应温度范围宽、易扩展、 控制功能强等优点，模拟电路常常有复杂的电路功能，如果构成控制器，就需要很多电 子元件，单片机的使用，很好地改变了这种现状，电路简单，成为了很大的优点，单片 机形成的控制器，可以使用软件实现复杂的控制。单片机内部就像计算机一样，有很强 的逻辑功能，而且运算速度
11、快，拥有大量的存储单元。单片机的控制系统有较好的灵活 性。同时可以适应在系统改变时，可以实现不同功能，实现不断变换参数，使系统更优 化。在此期间改变系统的功能，同时可以实现数字化控制，减小模拟信号控制间相互干 扰，减小模拟信号产生温漂等不稳定因素。单片机的使用有效的改变了零点漂移问题,无 合肥师范学院毕业设计 2 论被控量的大小,都可以保证足够的控制精度可提供人机界面,多机联网工作等优点。所 以在电气传动实时控制系统中受到重视和普遍应用。利用单片机逻辑功能强和软件灵活 的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，便于参数的设定和调整，而且可以同时对系统 工作中的各种信息数据进行诊断、检测和及时处理，加
12、强了实时维护和提高了控制系统 的可靠性。它的发展趋势将是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 我国直流电机的研究及制造起始于建国初期，从 50 年代后期到 60 年代后期，主要 是高等院校和科研机构为研究一些装置而使用或开发少量产品。我国在建国初期后开始 大量生产和应用直流电机，例如江苏、浙江、北京、南京、四川等各地都有投入生产， 而且都在各行业使用，其中的驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的，还有各种逻 辑运算电路，同时还有电容耦合而构成的计数器，各种触发器以及分配器。 。至 80 年代 中期以来，由于直流电机精确模型做了大量研究工作，各种混
13、合式直流电机及驱动器作 为产品广泛利用。 在国外在一种减小成本等问题上，提出了更为严格的要求，各种电路的成本，效率 等一些列工业化需求上，要求更为廉价的产品的出现，但同时需要增强系统的稳定性和 产品要求，直流电机还有广泛的应用市场，但是大扭矩直流电机相比直流电动机成本较 高，素以直流电机技术和经济指标高。一些少数高级的应用，就用空心转杯电机，交流 电机。国外在小功率的场合，还使用直流电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打 印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。目前,生产直流电机的厂家的确不少，但具有 专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连 最基本的设备都
14、没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造 成许多麻烦。虽然直流电机已被广泛地应用，但直流电机并不能象普通的直流电机，交 流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使 用。因此用好直流电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 1.3 研究的目的与意义研究的目的与意义 近年来，科技发展的越来越快，直流电机具有良好的起动特性和调速特性。其中 调速平滑，方便，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，能承受很大负载， 需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，但是随着科学技术的不断发 展，应用场合的不断扩大，从而对直流电机提出
15、了较高的要求，改变电枢回路电 合肥师范学院毕业设计 3 阻调速、改变电压调速等技术已经不能完成时代所赋予的任务了，PWM 波调速的 方法的发现，满足了时代的要求。 采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路所使用的模拟信号很容易 受到干扰，影响系统的稳定，从而很容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损 耗，以及温度漂移等。而用 PWM 技术后，避免上述的缺点，不仅简化了电路还实 现了通过电力电子器件改变开关频率，提高系统的稳定性还有抗干扰能力。同时 还有模拟信号的不稳定性很好地被数字信号所取代，很大程度地节约了成本。随 着我国经济和文化事业的发展，科技的进步，在很多场合，都要求有直流电机 PW
16、M 调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火 器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、 导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场 合。 2 系统总体设计系统总体设计 2.1 设计要求设计要求 本论文所选的直流电机，键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过 P2.3 与 P2.4 其中一口输出与转速相应的 PWM 脉冲，另一口输出低电平，经过信号放 大、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本设计的目的 是以单片机为核心设计出一个单片机控制直流电机的控制系统。主要实现功能： 5 个按键控制整个电路，对应功能分别是：正转、反转、复位、速度加、速度减； 合肥师范学院毕业设计 4 2.2 系统设计方案系统设计方案 2.2.1 系统框图 硬件主要以单片机为核心，本次设计选用的直流电机，通过软件和硬件的结合改 变 PWM 波控制直流电机的启停、正转、反转、加速、减速功能。主要通过三大块 来设计，包括驱动电路的设计和按键部分是设计。 本设计的系统总框图
