单片机设计直流电机控制系统

摘 要

　　直流电机在现代社会中被广泛用于在医疗设备、工业机械、通信雷达、论文设备等系统和各个行业中，虽然结构和交流电机相比的话，直流电机相对比较复杂，但最大的转矩以及启动转矩能够满足大部分系统的需求。因为直流电机启动功能很好，并且拥有良好的速度调节功能，速度和转向等参数可以在很宽的范围内被平滑控制，被许多行业认可。单片机的应用已经得到了广泛。

　　本论文的主要目的是使脉宽调制信号的参数被成熟控制系统中常用的89C51 单片机所控制，通过这个来控制常用的 DC 电机的转速。本设计中直流电机的驱动芯片模块是运用了专门的 L298 芯片，与单片机结合组成发生 PWM 信号以及直流电动机控制系统，通过 C 语言编程对课题关于 89C51 单片机中 PWM因平率变化而产生变化，进而完成对电动机的正反转控制、速度调节等。另外，本设计联合运用的实际需求，测量了直流电机的转速，滤波电路将采集的数据的调节和处理后送入 A/D 转换器，对结果反馈到图像上，根据图像对 PWM 及频率影响的结论。

　　论文的主要目的是使脉宽调制信号的参数被成熟控制系统中常用的 51 单片机所控制，通过这个来控制常用的单片机电机的转速实时的速度通过系统采用数码管进行显示。

　　关键词：脉宽调制，单片机，调速，直流电机

ABSTRACT

　　DC motor in modern society is widely used in medical equipment, industrial machinery, communication equipment, radar experimental system and various industries, although the structure of AC motor and DC motor than it is relatively complex, but the maximum torque and the starting torque can meet most of the demand of the system. Because the DC motor startup function is very good, and has a good speed adjustment function, speed and steering parameters can be in a wide range of smooth control, was recognized by many industries.

　　The main purpose of this paper is to make the pulse width modulation signal parameters are commonly used in the control system of 89C51 microcontroller, through which to control the speed of the DC motor. DC motor driver chip module in this design is to use the special L298 chip, combined with MCU PWM signal and DC motor control system, through the software programming a 89C51 microcontroller on the PWM signal duty cycle changes, and for the motor positive inversion control and speed regulation. In addition, the combination of the actual needs of the design. the measurement of the DC motor speed, the filter circuit will be collected after the adjustment and processing of data into the A/D converter, after the feedback to the microcontroller, microcontroller and then use the algorithm to measure and adjust the speed of DC motor. Real time speed through the system using digital tube display.

　　Keyword：PWM,MCU, Speed Regulation , DC motor

　　三十多年来，直流电机经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机----动机机组及水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电机拖动。直流调速技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电机拖动领域中一直居于垄断地位。

　　早期，直流传动的控制系统采用模拟分立器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，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。

　　随着单片机控制技术的发展，直流传动控制系统己经广泛使用单片机，实现了数字化控制。

　　近几年来，国外各大公司纷纷推出以 DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为 DSP 单片电机控制器（如 ADI 的 ADMC3××系列、TI 的 TM S320C240 和 Motorola 的 DSP56F8××系列），价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP 的最大速度为 20～40MIPS，单周期指令执行时间快达几十纳秒，它和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强 10～15 倍，确保系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

　　目前 ，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。

　　因此国内调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达 500 亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。虽然本设计研究的调速系统无法与国外先进的调速系统相比拟，但相对国内的现状，本设计研究还是具有一定的实用价值的。由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要地位。

　　对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动。

　　稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的 PID 调节器对被控对象及其负载参数变化适应能力差。直流电机的数学模型很容易得到，这使得经典控制理论在己知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速控制器就是建立在此基础上的。然而，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数并不如模型那样一成不变，尤其对于中小型电机，在某些应用场合随工况而变化;同时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数 PID 调节器顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规 PID 调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。在工程上，这种控制器就很有可能满足不了生产的需求，如:轧钢工业同轴控制系统、回转窑传动装置、轧辊磨床拖板电控系统等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求，而生产负载参数却是随着工况变化的。

　　控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直流调速装置的缺点，可将模糊控制与 PID 调节器结合，形成 fuzzy-PID 复合控制方案，设计能在负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下均可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术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，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。

　　其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP 控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 逐渐成为主流。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。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。

　　永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。

　　模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。

　　尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

　　本次论文的 PWM 电路主要利用达林顿管，通过改变通点时间上的多少来改变电压的大小，把握住电动机的速度，这种管由于在一个密封空间中，时间和速度的把控严格，所以得出的结果正确了。而论文中我们也选择了一些备用的道具，以免在两种论文道具中出现互相干扰的情况，每一步的小论文都用备用产品放上去多一次论文，每一步的排除意外的产生，对论文结果的完整也是一种保障。

　　PWM 电路的 H 型又保证了论文在保证时间和转速稳定的前提下结果的稳定性，也同样被高频率的适用于控制系统中。在研究方法上得到解决之后，设计思路必须要完整的表达出来才能更好的进行论文，如果自己大脑中都没有一套清晰的流程图，这个论文也很难进行下去，而我的思路也是各个方面比较后总结出来的，参阅了无数网上的资料，综合各个方面的优缺点，将很多问题细分化，在材料的选择上比对其他已经完成的论文，做出有利于我们论文的器件，在思路上，也是讲理论和实际想结合，先大体有一个论文思路，然后慢慢在电脑上演变出来，研究其是否能够真正完成最初的目的，是否会出现很多意外问题，一切问题解决了以后进行仿真处理，从仿真上观察显示，是否达到研究课题的任务。本次论文采用的又是对脉宽的调整，因为对于脉宽的调整可以增加电动机的稳定性，也由于论文条件的限定，在操作时难度比较低，可以减少论文的误差使数据更加稳定可靠，此方法对于直流电机来讲。可以有效的弥补在软件延迟上所带来的误差，使误差在一定的有效范围[2]。

　　对于单片机速度的测量和计算，有很多附属的配件，其中显示器用来对结果的输出表示，速度采集电路是对论文过程的一个平台效果，电机确保了论文有电路的稳定流通，单片机选择的是 51 单片机，本质上很多单片机都有一定的共性，但 51 单片机我们结合它的优点做出选择，包括它的易操作，对比其他器件有很好的稳定性，对偶尔跳段的电流电业有一定的防干扰能力，当然也包括论文器材的量多，准备起来比较方便，对于现阶段的论文来说，考虑客观因素也是论文的一部分，竟可能的减少论文难度，选择一个单片机来试验，不能因为最后器件的寻找上出现了问题，那对论文本身的阻碍会很大，当然如果在选择的道具上找不到那对论文本人来说也是一个打击。论文的速度表通过处理电路，单片机。显示器和存储数据组成，由于其中选择的器件众多，通关管脚注释，比对论文中的变量对数据的变化，通过记录初始状态，运行过程，结果显示来表达论文目的，根据我们对单片机简单构造的初始理解，我们需要考虑单片机和接口的问题。最大限度的控制在小量运行上数据的准确性，而我们这次试验的优势就是就可以先通过电脑进行模拟，通过仿真来论文，这样可以减少论文的成本。而且在仿真过程中如果出现错误可以通过电脑上修改电路来完成。当然我们得尽可能的先通过电路的完善以后再进行论文，通过不停的观察脉冲的变化记录数据然后设计电路完成论文。

　　单片机设计直流电机控制系统调试：

电气规则检查结果

改变晶振数值

系统 Protel 仿真初始状态图

系统 Protel 仿真正转

系统 Protel 仿真反转

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 背景意义
　　　　1.2 研究方法
　　　　1.3 选题意义
　　第二章 系统设计思路
　　　　2.1 总体设计思路
　　　　2.2 系统硬件选择
　　　　　　2.2.1 单片机简介
　　　　　　2.2.2 地址锁存器选型
　　　　　　2.2.3 电机驱动芯片
　　　　　　2.2.4 四位数码管显示
　　第三章 系统硬件设计
　　　　3.1 单片机扩展电路
　　　　3.2 PWM 信号发生电路设计
　　　　3.3 测速以及滤波电路
　　第四章 系统软件设计
　　　　4.1 系统中的部分程序设计
　　　　　　4.1.1 主程序设计
　　　　　　4.1.2 PWM 信号发发生程序
　　　　　　4.1.3 延时程序
　　　　　　4.1.4 按键扫描程序
　　　　　　4.1.5 显示子程序
　　　　4.2 系统调试
　　　　　　4.2.1 软件调试
　　　　　　4.2.2 测速软件设计
　　第五章 系统仿真调试
　　　　5.1 调试软件介绍
　　　　5.2 系统的电路原理图
　　第六章 总结和展望
　　致 谢
　　参考文献
　　附录

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