直流电机控制器设计说明书

直流电机控制器设计说

明书

1.1 设计思想

直流电机PWM 控制系统主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由89C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED 数码显示部分。LED 数码显示部分由七段数码显示管组成。直流电机PWM 控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298

直流电机驱动模块组成。

1.2 系统总体设计框图

直流电机PWM 调速系统以AT89C51单片机为核心，由命令输入模块、LED 显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给直流电机驱动芯片发送PWM 波形，H 型驱动电路完成电机正，反转控制；同时单片机不停的将从键盘读取的数据送到LED 显示模块去显示，进而读取其速度。

1.3 程序设计流程图

图1-2中断服务流程图

2 总体硬件电路设计

2.1 芯片介绍

2.1.1 89C51单片机

结构特点： 8位CPU ；

片内振荡器和时钟电路； 32根I/O 线；

外部存贮器寻址范围ROM 、RAM64K ； 2个16

位的定时器/计数器； 5个中断源，两个中断优先级； 全双工串行口；

图1.2 定时中断服务流程图

布尔处理器。

图2-1 89C51单片机引脚分布图

2.1.2 RESPACK-8排阻

RESPACK-8是带公共端的8电阻排，它一般是接在51单片机的P0口，因为P0口内部没有上拉电阻，不能输出高电平，所以要接上拉电阻。

图2-2 RESPACK-8引脚分布图

2.1.3 驱动器L298

L298是双电源大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继

电器，线圈，直流电动机，步进电动机等电感性负载。其驱动电压可达46V ，直流电流总和可达4A ，其内部具有两个完全相同的功率放大回来。

IN1

5IN27ENA 6OUT12OUT23ENB

11OUT313OUT4

14

IN310IN412SENSA 1SENSB

15

GND

8

VS

4VCC

9

U3

L298

图2-3 L298引脚分布图

2.1.4 显示模块

数码管每字由7节组成，其工作电流为每节5-20mA ，每字35-140mA ，本实验采用单片机的P0口控制数码管的段选，用P2口控制数码管的位选。实验采用的数码管段选采用共阴极连接，位选采用的共阳极。电路图如下：

图2-4 数码管连接图

2.2 主电路设计

主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由89C51单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小和了解电机的转向，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。其间是通过89C51单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机PWM控制系统由以下电路模块组成：设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由89C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。数码显示部分LED数码管显示。直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成。

图2-4 系统主电路图

2.3 PWM控制电路设计

2.3.1 PWM的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端

的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。如图2-5所示：

图2-5 PWM方波

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

2.3.2 PWM控制电路设计

IN1

5IN27ENA 6OUT12OUT23ENB

11OUT313OUT4

14

IN310IN412SENSA 1SENSB

15

GND 8

VS

4VCC

9

U3

L298

D1

DIODE

D2DIODE

D3

DIODE

D4

DIODE

+12V

C1

1nF

+88.8

图2-6 PWM 控制电路图

2.4 直流电机单元电路设计

2.4.1 直流电机驱动模块

主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块（内含CMOSS 管、三太门等）组成。现在介绍下直流电机的运行原理

1.直流电机类型

直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。

2.直流电机结构

直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2-7所示。