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1、2014单片机课程设计题 目 微型直流电机控制系统设计 专 业 班 级 学 号 姓 名 分 数 实 现 形 式 Proteus仿真 指 导 教 师 苏文静 学 院 名 称 电气信息学院 2014年06月目 录摘 要2Abstract3第一章 绪论41.1课题研究的背景和意义41.2课程设计任务及要求41.3 软硬件运行环境及开发工具5第二章 直流电机简介62.1 直流电机的结构62.2直流电机的工作原理62.3 直流电机的分类7第三章 系统硬件电路设计及方案论证83.1 总体设计框图83.2 单元电路设计及方案论证83.3总体电路图13第四章 系统软件设计144.1主程序设计144.2 定时器
2、的初始化程序设计164.3 显示程序设计164.4 键盘扫描程序设计17第五章 软件仿真195.1 程序调试195.2 仿真调试20第六章 答辩记录26第七章 总结27参考文献28附录1程序清单29附录2 电路原理图34摘 要直流电机即将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。本设计主要是利用单片机产生可调的PWM信号来实现对微型直流电机的启停、正反转以及加减速控制。系统硬件电路包括最小系统、驱动电路、按键控制电路、状态显示电路四大部分。最小系统是为了使单片机正常工作，包括晶振电路和复位电路。驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机
3、转动按键控制电路由开关和按键组成，由操作者根据工作需要进行相应的操作。状态显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速。关键词：直流电机；启停；正反转；调速 AbstractThe DC machine is an rotating motor that can convert DC energy into the mechanical energy (DC motor) or convert the mechanical energy into direct current energy(DC generator) . This design is mainly used to produce
4、 single-chip adjustable PWM signal to achieve the micro-motor start and stop, reversing, and acceleration and deceleration control.The design of the hardware circuit includes four parts: the minimum system, drive circuit, control circuit and a status display circuit .Minimum system is to make the co
5、mputer work, including crystal circuit and reset circuit.Drive circuit is mainly to SCM pulse power amplifier, thereby driving motor to rotate the key control circuit by switches and keys. the operator can operate these switches and keys according to the needs of the work .Status display circuit is
6、mainly in order to display the working status of the motor and the speed.Keywords:The DC machine； Start / stop； Positive inversion；timing1 第一章 绪论1.1课题研究的背景和意义微型直流电机是指输出或输入为直流电能的旋转电机。微型直流电机的效率一般都要高于其他类型的电机，所以达到相同的输出功率，直流电机的体积一般都比较小。对于安装位置有限的情况下，微型直流电机相对比较合适。微型直流电机有个特点是电机可以根据负载大小，自动降速，来达到极大的启动扭矩。这一点交流
7、电机就比较困难。另外直流电机比较容易吸收负载大小的突变，电机转速可以自动适应负载大小。最早发明能将电能转换为机械能的设备，它可追溯到法拉第所发明的碟型电动机。到了1880年已成为主要的电能到机械能转换装置，但之后由于交流电的使用日趋普及，而发明了感应电动机与同步电动机，直流电动机的重要性亦随之降低。直到约1960年，由于SCR的发明，磁铁材料、碳刷、绝缘材料的改良，以及变速控制的需求日益增加，再加上工业自动化的发展，直流电动机驱动系统再次得到了发展的契机，到了1980年直流伺服驱动系统成为自动化工业与精密加工的关键技术。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速
8、特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求。由于采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。因此通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开
9、关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。现在，随着我国经济和文化事业的发展，很多场合都要求有直流电机PWM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。因此，利用单片机产生可调PWM信号来控制直流电机是非常有意义的。1.2课程设计任务及要求任务：1.通过单片机产生可调的PWM信号驱动微型直流电机；2.通过按钮可控制电机启停、正反转以
10、及加减速；3.显示电机的工作状态以及速度档位。要求：进行控制系统硬件电路设计，编写程序、画出电路原理图、利用proteus进行仿真。1.3 软硬件运行环境及开发工具硬件：keil和proteus软件、PC机一台开发语言：C语言第二章 直流电机简介2.1 直流电机的结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。1） 主磁极
11、。作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5mm1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。2）机座。电机定子的外壳称为机座。它为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚钢板或铸钢件构成；3）电枢铁芯。为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分，由硅钢片叠压而成；4）电枢绕组。直流电机的电路部分，由绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成；5）换向器。由许多鸽形尾
12、的换向片排列成一个圆筒、片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。用作直流发电机时，称整流子，起整流作用；用于直流电动机时，用于（逆变）换向；6）电刷装置。由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出（或引入）装置。7）换向极。作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。2.2直流电机的工作原理直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电
13、刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。
14、2.3 直流电机的分类直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。（1） 无刷直流电动机：无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，由多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机定子的结构与普通的同步电动机或感应电动机相同在铁芯中嵌入多相绕组(三相、四相、五相不等)绕组可接成星形或三角形，并分别与逆变器的各功率管相连，以便进行合理换相。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上把无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。（2）有刷直流电动机：又可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永
15、磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。稀土永磁直流电动机：体积小且性能更好，但价格昂贵，主要用于航天、计算机、井下仪器等；铁氧体永磁直流电动机：由铁氧体材料制成的磁极体,廉价，且性能良好，广泛用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域；铝镍钴永磁直流电动机：需要消耗大量的贵重金属、价格较高，但对高温的适应性好，用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场合。电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。串励直流电动机：电流串联，分流，励磁绕组是和电枢串联的，直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。并励直流电动机：并励直流电机的励磁绕组与电枢
