《毕业设计论文-----直流电机PWM调速器设计的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文-----直流电机PWM调速器设计的研究（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、I课程设计 题目 直流电机 PWM 调速器设计的研究专业 测控技术与仪器 姓名 学号 II摘要本文是对直流电机 PWM 调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现 PWM 调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了 AT89C51 单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及 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，不断给光电隔离电路发送 PWM 波形，H 型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中
2、，采用 PWM 调速方式，通过改变 PWM 的占空比从而改变电动机的电枢电压，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，大大简化了硬件电路，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。关键字：电机控制、PWM 调速、AT89C51 单片机III目录第 1 章 系统论述1.1 设计思路11.2 基本原理11.3 总体设计框图2第二章 直流电机单元电路设计与分析2.1 直流电机驱动模块32.1.1 直流电机类型32.1.2 直流电机结构32.1.3 直流电机工作理42.1.4 直流电机主要技术参数42.1.5 直流电机 PWM 调速原理 42.1.
3、6 电机驱动模块的电路设计72.1.7 程序设计流程图82.2 直流电机的中断键盘控制模块92.2.1 外部中断设置92.2.2 外部中断扩展方法10IV2.3 1602LCD 液晶显示模块112.3.1 引脚分布和接口信号说明112.3.2 LCD 液晶电路112.3.3 显示程序流程图13第三章 直流电机 PWM 控制系统的实现3.1 总电路图153.2 总电路功能介绍153.3 直流电机控制程序15第四章 结束语参考文献资料265第一章 系统论述1.1 设计思路直流电机 PWM 控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机
4、转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数） 、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由 80C51 单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由 80C51 单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和 LED 数码显示部分。液晶显示部分由 1602LCD 液晶显示模块组成; LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM 控制实现部分：主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。1.2 基本原理主体电
5、路：即直流电机 PWM 控制模块。这部分电路主要由89C51 单片机的 I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数） 、暂停、连续功能。其间是通过 89C51 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流6电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51 单片机的外部中断扩展电路组成。设
6、计显示部分：包括液晶显示部分和 LED 数码显示部分。液晶显示部分由 1602LCD 液晶显示模块组成。直流电机 PWM 控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298 直流电机驱动模块组成。1.3 总体设计框图系统组成：直流电机 PWM 调速方案如图 1.1 所示：方案说明：直流电机 PWM 调速系统以 AT89C2051 单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD 显示模块及电机驱动模块组成。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，定时不断给直流电机驱动芯片发送 PWM 波形，H 型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到 LCD 显示模块去显示
7、，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心提示。7AT89C51直 流 电 机驱 动 模 块 直 流电 机直 流 电 机驱 动 模 块 直 流电 机AT89C51直 流 电 机驱 动 模 块 直 流电 机加 速 控 制 端减 速 控 制 端正 转 控 制 端反 转 控 制 端停 止 控 制 端LCD液 晶 显 示P0口P2口P1口 单 片 机图 1.1 直流电机 PWM 调速方案第二章 直流电机单元电路设计与分析2.1 直流电机驱动模块主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块（内含CMOSS 管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理2.1.1 直流电机类型直流电机可
8、按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能） 、直流电动机（将直流电能转化为机械能） 、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号） 、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号） 。下面以直流电动机作为研究对象。2.1.2 直流电机结构8直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供） ，其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图 2.1 所示。图 2.1 直流电动机结构2.1.3 直流电机工作原理直流电机电路模型如图 2.2 所示，
9、磁极 N、S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈 abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图 2.2 直流电动机电路模型+AB-abcdNS图 1 . 1 直 流 电 机 工 作92.1.4 直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率 Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压 Ue：长期运行的最高电压。 额定电流 Ie：长期运行的最大电流。额定转速 n：单位时间内的电机转动快慢。以 r/min 为单位。 励磁电流
10、 If：施加到电极线圈上的电流。2.1.5 直流电机 PWM 调速原理（1）直流电机转速的数学模型可用图 2.3 表示，由图可见电机的电枢电动势 Ea 的正方向与电枢电流 Ia 的方向相反，Ea 为反电动势；电磁（2）转矩 T 的正方向与转速 n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩 T2 及空载转矩 T0 均与 n 相反，是制动转矩。图 2.3 直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式 1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式 1.1式 1.1 中，Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；ra Ea n T0 2 I U T1 Rc 说
11、明 : U 电 压 Ea 电 枢 电 动 势n 转 速 I电 枢 电 流 ra 电 枢 回 路 电 阻 Rc外 在 电 枢 电 阻 T1， T2负 载 转 矩 0 空 载 转 矩 磁 通 量 10Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce 式 1.2式 1.2 中，Ce 为电动势常数， 是磁通量。由 1.1 式和 1.2 式得n =Ea/Ce 式 1.3 由式 1.3 中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压 Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到 0V 时，电机就停止转动
12、；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM 电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为 2.3 所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数） ，可以看出，在 T 不变的情况下，改变 T1 和 T2 宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推 导。图 2.3 施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压 U 时，其转速最大为 Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为 D=t1/T，则电枢的平均电压为：U 平=UD 式 1.4由式 1.3 得到：最 大 值 Vmax平 均 值 d最 小 值 Vmint1t2T图 1.3 PWM调 速 原 理 图11n =Ea/C
13、eUD/ Ce=KD ；在假设电枢内阻转小的情况下式中 K= U/ Ce，是常数。图 2.4 为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图 2.4 占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比 D 并不是完全速的线性关系（图中实线） ，原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机 PWM 调速原理。2.1.6 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，从 PROTEUS 选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图 2.5 所示 2SK1058
14、 : CMOSS 管 74L26 : 三太门 1N4006 : 二极管12 VSCOURCE : 电源 MOTOR-ENCODER : 直流电机 RES : 电阻 AT89C51 : 单片机 (在此并未显示)图 2.5 直流电机驱动电路然而考虑市场的行情，既然已有专门地为电机驱动而设计的芯片，就没必要再从新来设计；选用 L298 芯片来构成的电路结构基本上跟上图一样，由 L298 芯片组装的驱动模块如图 2.6 所示。所用元器件如下所示： 1N4004 : 二极管 AT89C51 : 单片机 (在此并未显示) R : 电阻U1U2U3+5使使IN1IN2R11R12R1312VR14R15R16使使1 使使12使使2
