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1、单单片片机机原原理理及及接接口口技技术术课课程程设设计计 报报告告课课 题题 名名 称称直流 PWM 调速系统的 MATLAB 仿真学学 院院自 动 控 制 与 机 械 工 程 学 院专专 业业机机 械械 设设 计计 制制 造造 及及 自自 动动 化化班班 级级姓姓 名名（ 学学 号号 ）时时 间间2 2 0 0 1 1 6 6 - - 1 1 - - 9 9摘摘 要要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由 51 单片机、电源、H 桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路
2、以及独立按键组成的电子产品。电源采用 78 系列芯片实现+5V、+15V 对电机的调速采用 PWM 波方式，PWM 是脉冲宽度调制，通过 51 单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED 实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过 51 单片机对 1 秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。关键词关键词：直流电机调速；H 桥驱动电路；LED 显示器；51 单片机ABSTRACTDC motor has a good startup performance and speed characteris
3、tics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, H-bridge driver circuits, LED liquid
4、crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic products. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through independent buttons start a
5、nd stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realize the measurement data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedbac
6、k control. Keywords: DC motor speed control；H bridge driver circuit；LED display目 录摘 要2 ABSTRACT3 目 录4 第 1 章 引 言.5 1.1 概况.5 1.2 国内外发展现状.5 1.3要求.6 1.4 设计目的和意义.7 第 2 章 方案论证和选择.9 2.1 电机调速控制模块9 2.2 PWM 调速工作方式 .9 2.3 PWM 调脉宽方式 .9 2.4 PWM 软件实现方式 .9 第 3 章 系统硬件电路设计11 3.1 信号输入电路 .12 3.2 电机 PWM 驱动模块的电路 .13 第 4
7、 章 系统的软件设计14 4.1 单片机选择.14 4.2 系统软件设计分析 .14 第 5 章 单片机系统综合调试.17 5.1 PROTEUS 设计与仿真平台 .17 5.2 PROTEUS 设计与单片机传统开发过程比较 .18 5.3 仿真结果与分析.18 结束语 .21 致 谢 22 参考文献 .23 附录 .24第 1 章 引 言1.11.1 概况概况现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论
8、的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、
9、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少
10、，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。1.21.2 国内外发展国内外发展现状现状电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近 30 年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机
11、的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到 70 和 80 年代才先后出现了全控型功率器件 GTO 晶闸管、GTR、POWER-MOSFET、IGBT 和 MCT 等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或 PWM 变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数。直流电机脉冲宽度调制(Pulse W
12、idth Modulation-简称 PWM)调速系统产生于70 年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等 。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路 技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使 PWM 技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。 在国外，PWM 最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更
13、快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入 21 世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3 要求要求 一、设计任务一、设计任务基于 MCS-51 系列单片机 AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机 PWM调速控制装置。二、设计要求二、设计要求1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路 L298，驱动直流测速电动机。2）使用定时器产生可控的 PWM 波，通
14、过按键改变 PWM 占空比，控制直流电动机的转速。3）设计一个 4 个按键的键盘。K1:“启动/停止”。K2：“正转/反转”。K3：“加速”。K4:“减速”。4）手动控制。在键盘上设置两个按键-直流电动机加速和直流电动机减速键。在手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。5）*测量并在 LED 显示器上显示电动机转速（rpm）.6）实现数字 PID 调速功能。三、设计提示：三、设计提示：1）参考 L298 说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。2)使用定时器产生可控 PWM 波，定时时间建议为 250us。3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整 PWM 波占空比，实
15、现调速；4）参考 Protuse 仿真效果图：1.41.4 设计目的和意义设计目的和意义本文设计的直流 PWM 调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR 为开关器件、H 桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM 调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制 H 电路中的 GTR 通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个 PWM 脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以 AT89C51 单片机为核心，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中
16、，采用了 PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理和 H 桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用 PROTEUS 软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。第第 2 章章 方案论证和选择方案论证和选择选择电动机参数：额定电压：6V额定转速：6000rpm减速比：1：46.7空载转速：128rpm10ms/转2.12.1 电机调速控制模块电机调速控制模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高
