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1、燕山大学课程设计说明书题目：直流电机控制学院（系）:电气工程学院年级专业：11级检测学 号：学生姓名：指导教师：吴希军教师职称：副教授燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：电气工程学院基层教学单位：仪器科学与工程系学号学生姓名专业（班级）检测11-1设计题目直流电机控制设 计 技 术 参 数利用DAC0832及D/A转换电路，输出-5V+5V （或-8V+8V ）电压， 控制直流电机。用键盘来对电机的状态进行控制，通过改变输出电压 值，改变电机转速和转向。通过霍尔元件读回脉冲数，计算电机转速。设 计 要 求用键盘来对电机的状态进行控制。在电压允许范围内，直流电机的转 速随着电压的升咼而加快，
2、若加上的电压为负电压，贝U电机反向旋转。 设计控制硬件电路；编制相应的程序。工 作 量设计的内容满足课程设计的教学目的与要求，设计题目的难度和工作量适合学生的知识和能力状况，工作量饱满。工 作 计 划查阅资料进行设计准备、设计硬件电路、编制程序，编制程序、验证 设计、撰写任务书。参 考 资 料单片微型计算机接口技术及其应用 张淑清 国防工业出版社 单片机原理及应用技术张淑清国防工业出版社单片机应用技术汇编指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日目录第一章摘要1第二章设计要求1第三章基本原理13.1 DAC0832 简介23.2单片
3、机43.3直流电机原理53.4 直流电机调速方案63.5霍尔效应和霍尔元件速度采集电路73.6 LED显示设置8第四章程序整体构想 9第五章总程序设计10课设总结15参考文献16第一章摘要直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变， 特别是单片机技术的应用，使 直流电机调速技术进入到一个新的阶段。直流电动机具有良好的起动、制动性 能，直流电机调速性能好，可靠性高，机械特性强，宜于在大范围内平滑调速， 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。本设计是研究对直流电机调速 的控制装置，本课题主要是利用单片机来构成控制系统。主要包括：单片
4、机、 霍尔元件速度采集电路、直流电机、 DAC0832、键盘、显示器等几部分组成。 首先对预定速度进行设置，并通过数码管显示出来。本文重点阐述了该系统的 基本工作原理、所采用的相关技术等，进而交代了电机转速测量控制的实现方 法。第二章设计要求利用DAC0832及 D/A转换电路，输出-5V +5V（或-8V +8V）电压， 控制直流电机。用键盘来对电机的状态进行控制，通过改变输出电压值，改变 电机转速和转向。通过霍尔元件读回脉冲数，计算电机转速。用键盘来对电机的状态进行控制。 在电压允许的范围内，直流电机的转速 随着电压的升高而加快，若加上的电压为负电压，电机则反向旋转。设计控制 硬件电路；编
5、制相应的程序。第三章基本原理此控制系统主要由六部分构成：键盘、单片机、D/A转换电路及DAC外围放大电路、直流电机、霍尔元件速度采集器、显示器。此系统的总体控制原理 图如下图一所示。图一：系统总控制原理图3. 1DAC0832简介DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832勺内部结构 DACO83中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入 寄存器，它的锁存信号为ILE ;第二级锁存器称为DA
6、C寄存器，它的锁存信号 为传输控制信号。因为有两级锁存器，DAC083刑以工作在双缓冲器方式，即 在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外, 两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作，利用第二锁存信号来实现多个 转换器同时输出。DAC0832有如下三种工作方式:（1） 单缓冲方式 单缓冲方式是控制输入寄存器和 DAC寄存器通知接收 资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式实用只有一 个模拟量输出或者几路模拟异步输出的情形。（2） 双缓冲方式 双缓冲方式是先使输入寄存器现接受资料，再控制输 入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。
7、此方式适用于多 个D/A转换同步输出的情节。（3）直通方式直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS* XFER*WR1* WR2*接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制路线和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O 口于CPU连接，以匹配CPL与D/A转换。夕卜围放大电路的输出值如下:Uout10kJ-d5V5k10k10k5V28Uout当数字D=Dmax=11111111时，由上式可得Uout=Uout max ： +5v当数字D=Dmin=00000000时可得Uout=Uout min -5v当数字在0到11111111B之间变化时，电路输出电压就在-5V到+5V之
8、间 连续变化，实现了 DACNPNS体管8050与PNP1体管8550组成互补射随器。忽略PN结正向压降,可以认为电机输入端电压亦等于 Uout，即微型直流电机电枢绕组可以获得-5V 到+5V连续变化电压，电动机可也在反向最大转速到正向最大转速之间连续调3.2 单片机这里利用的是MSC-51单片机，实现速度测量、输入设定机系统控制，和 键盘设定。速度控制与测量通过自制-8V8V电源来确保工作电压正常，由霍尔元件及外围器件组成的 测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机的计数器T1，由T1测出电动机的实际转速，通过键盘事先设定的值通过单片机对 DAC0832俞入相应的 数字量，使DAC08
9、32俞出大小方向不同的电压。来控制直流电动机的转速和方 向。键盘的设置键盘采用三个独立键盘，分别控制电机的加速、减速、停止。三个按键分别接单片机的外部中断INTO、INT1和复位端RST当键被按下时候会输出高电平，触发相应的中断服务程序。10此系统复位电路采用上电按钮复位电路，如图112平有效。C的典型值为10卩F。当按下开关一定3P1.4/INT2P0.2/AD2P1.5/INT3P0.3/AD3P1.6/INT4P0.4/AD4P1.7/INT5P0.5/AD5P3.3/INT1电容开始充电，RST为高电平，单片机复位，当1电容两端电压等于1516RST呈现低电平，复位完成。2k10uf斗
10、Switch20RST ALE PSENEA392931P0.6/AD6 P3.0/RXD0P0.7/AD7p3?1所示D0复位端咼电P2.0/A8P2.1/A9 5P2时A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDX1X210kGND34333221222324252627281918MCS-51图3.2上电与按钮复位电路3.3 直流电机原理直流电动机结构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
11、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。直流电动机的结构是由直流电源、直流电机、控制开关和调速 器组成。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其工作原理不外乎就是用直流电源作为能量来驱使其起到开、关和调速的使用电位器旋转按钮控制VDC Motor动电机旋转。通过对三极管的截止与导通进行控制, 作用。具体的操作为当直流电动机接上直流电源时， 三极管集极的电压
12、。如直流电机控制原理图四图四：直流电机控制原理1、当三极管的集极电压小于死区电压时三极管截止，则电动机不转动；2、当集极电压大于死区电压而小于饱和电压时三极管处于放大状态，随 着集极电压改变，从而改变了直流电动机两端的压降也就改变了电机的转速。 具体原理为集极的电压大小不一样，三极管的电压放大倍数也不一样从而起到 调速作用改变直流电动机的旋转速度。3.4直流电机调速方案的设计由直流电机的速度公式n=(Ua-laRa)/Ce,其中n是电机转速，Ua是电枢 电压，la是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电极常数，是电机的励 磁磁通。对于极对数是p,匝数是n,电枢支路数为a的电机来说Ca是常数。
13、 由于Ra为电枢回路电阻故其值很小，通过调节电阻改变转速的效果不明显。如果通过调节磁通量，对于它励电机其有外接的电源电压决定。故一般通过改变电枢电压来达到调节转速的目的。直流电机原理图如下：图五：直流电机原理图3.5霍尔效应及元件速度采集电路霍尔效应及原理霍尔器件是有半导体材料制成的一种薄片，器件的长、宽、高分别为 I、 b、d。若在垂直于薄片平面(沿厚度 d)方向施加外加磁场B,在沿I方向的 两个端面加以外电场，则有一定的电流经过。由于电子在磁场中运动，所以将 受到一个洛仑磁力，其大小为：fl = qVB其中：fl 洛仑磁力，q载流子电荷，V载流子运动速度，B 磁感应强度。这样使电子的运动轨
14、迹发生偏移，在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生 电子积聚或电荷过剩，形成霍尔电场，霍尔元器件两个侧面间的电位差UH称为霍尔电压。霍尔电压大小为：UH=RIHI X B/d(mV)。式中：RH -霍尔常数，d-元件厚 度，B-磁感应强度，I-控制电流，设 KH= RH/d，贝U UH=KX I X B (mV)， KH为霍尔器件的灵敏系数(mV/mA/T),它表示该霍尔元件在单位磁感应强度和 单位控制电流下输出霍尔电动势的大小。应注意，当电磁感应强度B反向时，霍尔电动势也反向。若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度 而变化，根据这一原理，可以将一块永久磁钢固定在电动机的转轴上转盘的边
15、 沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元 件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响。 霍尔器件输出脉 冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。这样只要测出脉冲信号的频率或者 周期即可求出直流电机的转速。霍尔转速测量及电路霍尔转速传感器的主要工作原理是霍尔效应，也就是当转动的金属部件 通过霍尔传感器的磁场时会引起电势的变化，通过对电势的测量就可以得到被 测量对象的转速值。霍尔转速传感器的主要组成部分是传感头和齿圈，而传感 头又是由霍尔元件、永磁体和电子电路组成的。G17D图六： 直流电机测速装置3.6 LED显示的设置由课题的要求，要由测速环节并显示到数码管上，这就要求在霍尔软 件采集到直流电动机的转速后，向单片机输出相应的脉冲，并由单片机将 相应的脉冲
