直流电动机调速系统

创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计

目录

目录 (1)

1 引言 (2)

1.1 设计背景 (2)

1.2 系统可实现的功能 (2)

2 总体方案设计 (3)

2.1 单片机选型方案 (3)

2.2 转速测量方案选择 (4)

2.3直流电机驱动电路介绍 (5)

2.4 PWM调宽方式的选择 (6)

2.5键盘的选择 (6)

2.6整体方案设计框图 (6)

3 硬件电路设计 (7)

3.1 系统的整体硬件框图 (7)

3.2 按键模块电路设计 (7)

3.3数码管显示模块电路设计 (8)

4系统软件设计 (10)

4.1 PWM输出程序设计 (10)

4.2 数字PID算法程序设计 (11)

4.3速度采集模块程序设计 (12)

4.4 按键设定程序设计 (13)

4.5 速度显示模块程序设计 (15)

5 总结 (16)

6参考文献 (17)

附录A系统原理图 (18)

1 引言

1.1 设计背景

现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使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又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

1.2 系统可实现的功能

设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。

2 总体方案设计

2.1 单片机选型方案

1.Intel公司的8051系列

美国的Intel公司是最早的MCU生产商。Intel公司于1979年推出的MCS-51奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，8051系列是最早最典型的8位微控制器。

2.Freescale公司的MC系列

Freescale半导体公司是世界上最大的微控制器厂商，其产品特点是品种齐全，选择余地大，新产品多，多年来一直雄居高可靠微控制器销量总量榜首。Freescale公司开发了众多的8位、16位和32位微控制器品种。其微控制器的特点之一是在同样的总线速度下所有的外部时钟较8051类微控制器低得多，因而使得高频噪声降低，抗干扰能力增强，更适于工业测控和汽车电子的恶劣环境。

3.Microchip公司的PIC系列

Microchip公司的PIC系列微控制器，是1996年以来技术发展非常迅速、市场份额增长最快的微控制器。目前，它的主要产品是PIC16C/F系列和18C/F 系列的8位机，PIC24/30/33系列的16位机。PIC系列微控制器采用RISC系统和Harvard双总线结构，运行速度快，工作电压宽，低功耗，较高的输出驱动能力，价格低，体积小，可一次编程或多次编程。

Freescale半导体公司的8位S08微控制器有以下特点：

①技术成熟、高可靠、高性能、抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富，且种类齐全，选择余地大，新产品多；

②开发技术先进且费用低廉，可提供免费得集成开发环境和开发调试器；

③支持C高级语言开发，并进行了硬件和软件优化，效率较高；

④可平滑的完成从8位MCU到32位MCU核心的转移，他们的引脚兼容，开发环境不变。

虽然51单片机较其他单片机略显劣势，但是51单片机的开发现在是最成熟的一款单片机了，而且价格相对较低，经济而稳定性好，结合本人的喜好，本次设计选择51单片机作为本次设计的控制器。

2.2 转速测量方案选择

测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

方案一：采用霍尔传感器测速

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。

图2.1 CS3020外形图

使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

方案二：采用编码盘和光电耦合器测速

经比较，方案一虽然安装和接线都相对简单，但是对于本次学习性创新设计而言并不经济，所以本次设计采用方案二。