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1、摘 要本设计基于PWM技术实现了对直流电机的转速调节。以AT89S52系列单片机为控制核心，组成了包括转速调节、转速设置闭环调速系统。为了实现对转速的灵活控制和高效节能，PWM控制方式配合以三极管组成的H桥代替L298N电机驱动芯片对小功率直流电机进行驱动和调速是较好的调速系统解决方案。H桥式电路PWM信号以及电机一起组成了直流斩波电路，本系统中利用单片机控制片外硬件产生的PWM信号的占空比大小，根据实际需要以确定加速还是减速，直到满足生产要求。在本设计中编写了调速运算、键盘输入等子程序，充分发挥了直流电机的优良的调速性能。各部分功能完整，构成了多功能自动化的调速系统。实测调速效果良好，能迅速
2、地调节转速到需要转速稳定运行。该设计采用元件较少，结构简洁，维护方便，经济实用，有很好的适应性。关键词：AT89S52；PWM调速；直流斩波；C语言AbstractThis design based on the PWM technology to realize the dc motor speed adjustment. AT89S52 SCM in series as control core, including the speed of adjustment, speed setting closed loop speed regulation system. In order to
3、 realize the flexible control of speed and high efficiency and energy saving, PWM control mode of transistor with H bridge instead of L298N motor drive chip for small power dc motor drive and control is a good speed regulation system solutions. H bridge type circuit PWM signals, and motor together m
4、ake up the dc chopper circuit, the system using single-chip microcomputer control the hardware of the produce PWM signal occupies emptiescompared size, according to the actual need to determine speed up or slow down, until meet the production requirements. In the design of the speed control operatio
5、n, write keyboard input DengZi program, give full play to the dc motor of the excellent performance of speed adjustment. Some functional complete, constitute the multi-function automatic closed loop speed regulation systems. The measured speed regulation effect is good, can quickly to adjust speed t
6、o need speed and stable operation. This design USES the element is less, the structure is simple, easy maintenance, economic and practical, has the very good adaptability. Keywords: AT89S52; PWM control; The closed-loop control system; Dc chopper; C language 1.1直流电机的发展在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶
7、金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统在一些对调速性能要求较高的系统中有很大的使用价值。直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微
8、机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局
9、面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.2单片机及微处理器的发展单片机的诞生是计算机发展史上一个新的里程碑。近年来，随着技术大发展和进
10、步，以及市场对产品的功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用，直流电动机的启动和调速性能、过载能力强的有点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电机的调速控制系统得到了很大的发展，作为核心的单片机，正在朝着多功能、多选择、 高速度、低功耗、大储存和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能不断完善，单片机已越来越广泛的应用在各个领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电机调速控制中。这是因为单片机有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，结构合理，指令丰富，控制能力强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心已提高整个系统的可
11、靠性和可行性。早期直流电传动的控制系统采用模拟分离器间构成，由于模拟有其固定的缺点，如存在温漂，零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动，实现了全数字化控制。由于微处理器已数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流电动机调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统进入一个崭新的阶段。微处理器诞生于上世纪七八十年代，随着集成电路大规模和超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提升。为微处理器
12、普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制控制电机完成各种新颖的，高性能的控制策略，使电机的潜在能力得到充分发挥，使得电机的性能更符合工业生产需要，还促进了各种电机生产商研发各种如步进电机、如无刷直流电机，开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使得电机的发展出现了新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用微处理器控制继电器，电子开关，器件，是电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种机床设备和各种生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程序的控制，可使电机性能有很大的提高。目前，相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，
13、有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流可靠，但在频率恒定的电网上运行时，他的速度不能方便经济的调节。高性能的微处理器的出现，为采用新的理论控制和控制策略提供了良好的的物质基础，是电机的传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等位置伺服系统，已经采用了如DSP等高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适和的矩阵运算。1.3课题背景及意义直流电机由于具有优良的调速性能，因此在很多需要用到变速的场合有很多的应用。数控机床，机械控制，机车车辆，实验设备，以致机器人都大量采用直流电机。特别是现代能源缺乏，为了节能的要求出现了电动自行
14、车，混合动力汽车太阳能汽车等，这些都以直流电机为发动机，这就需要有优秀的调速方案。直流电机的调速方案一般有下列3种方式：(1)改变电枢电压；(2)改变激磁绕组电压；(3)改变电枢回路电阻。最常用的是调压调速系统，即改变电枢电压，这样是控制性能最好，可近似达到线性调速和无极调速。作为现代应用调速系统的设计，节能是不可忽视的重点。直流电机电枢调压调速的核心技术是脉宽调制(Pulse Width Modulation)控制技术，该技术通常简称为PWM控制技术1。PWM脉冲信号控制驱动器件的开断，占空比的变化来调节输出的平均功率，在很大程度上节约了电能，不像电枢回路串电阻调速那样消耗能量来达到调速的目
15、的。在直流调速方面现代电力电子器件如IGBT等已发展得很成熟，脉冲宽度调制(PWM)直流调速系统又有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。随着电力电子技术的发展，发展出许多新的电枢电压控制方法，如交流供电，使用晶闸管整流器进行调压；使用硅整流器将交流电整为直流电或直接由蓄电池等直流电源供电，再由PWM脉冲宽度调节降压斩波器进行斩波调速等1。直流电动机的PWM控制可以用不同的控制方法来实现，采用集成PWM控制器，或者采用微机进行控制，或者使用单片机控制等多种方法。采用PWM脉宽调制的方法控制他励直流电动机的电枢电压，从而达到调速的目的12。PWM控制技术主要应用在电力电子技术行业，具体讲，包括风力发电、电机调速、直流供电等领域，由于其四象限变流的特点，可以反馈再生制动的能量，对于目前国家提出的节能减排具有积极意义。2.1设计调速系统原理2.1 直流电机工作特性及调速原理根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表示： (2-1)(2-1)式中：UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，是励磁磁通。(2-2)(2-2)式中：p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。(2-3)(2-3)式中：当电机型号确定后，Ce为常数，故式式(2-1)改为(2-4)
