直流电机PWM调速系统参考论文

毕业论文

基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计

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摘要

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。

关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机

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目录

目录 ............................................................................................................... III 1 引言 .. (1)

1.1 课题背景 (1)

1.1.2 开发背景 (1)

1.1.3 选题意义 (2)

1.2 研究方法及调速原理 (2)

1.2.1 直流调速系统实现方式 (4)

1.2.2 控制程序的设计 (5)

2 系统硬件电路的设计 (6)

2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6)

2.2 STC89C51单片机简介 (6)

2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6)

2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (7)

2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (8)

2.2.4 STC89C51引脚功能 (8)

3 PWM信号发生电路设计 (11)

3.1 PWM的基本原理 (11)

3.2 系统的硬件电路设计与分析 (11)

3.3 H桥的驱动电路设计方案 (12)

5 主电路设计 (14)

5.1 单片机最小系统 (14)

5.2 液晶电路 (14)

5.2.1 LCD 1602功能介绍 (15)

5.2.2 LCD 1602性能参数 (16)

5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (18)

5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (19)

5.3 按键电路 (20)

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5.4 霍尔元件电路 (21)

5.4.1 A3144霍尔开关的工作原理及应用说明 (22)

5.4.2 霍尔传感器测量原理 (23)

6 系统功能调试 (24)

总结 (25)

致 (26)

参考文献 (27)

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1 引言

1.1 课题背景

1.1.2 开发背景

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机

直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用围：直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材、特种加工、轻工业、输送设备车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备等行业中。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。

尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。

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1.1.3 选题意义

直流电机拥有有良好的起制动性能，可应用于在大围的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。在控制角度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用围。伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，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。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。

1.2 研究方法及调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式：

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n=U/C c φ-TR/C r C c φ （公式 1-1）

其中：

U —电压； R 内—励磁绕组电阻；

φ—磁通(Wb)；C c —电势常数；C r —转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。

比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极

饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并

不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构直

流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分,这两

部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运 动.直流电机定

子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分 主要由电枢绕组,换向

器和转轴等构成，如图1-1所示：

图1-1 直流电机的工作原理图

电枢控制即在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，

以控制电机的转速。在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速

的概念是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期“接