基于单片机的直流电机控制系统设计

1.引言

1.1 概况

在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。其应用领域极为广泛，例如：军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。

随着电力电子技术的发展，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，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。

1.2 设计目的和意义

本设计以AT89C51单片机为核心，系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构,以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM

技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。

2.直流电机控制系统概述

2.1 直流电机的工作原理

直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。

图2.1直流电机的物理模型图

直流电动机的工作原理如图2-2所示。给两个电刷加上直流电源，如图2-2(a)所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到图2-2(b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转。

图2.2直流电机原理图

2.2 直流电机的调速方法

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

2.3 H桥电机驱动电路

采用PWM进行直流电机调速，其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端，因此有必要对电机驱动电路进行介绍。

图2.3 H桥式电机驱动电路

上图所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（上图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图）。电路中，H 桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至

左流过电机，从而控制电机的转向。

图2.4 H桥式驱动电机顺时针转动

如上图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图2.5 H桥式驱动电机逆时针转动

3.方案论证和选择

型，额定功率1.1KW，额定电压220V，额本次设计选用的电动机型号Z

2-32

定电流6.58A,额定转速1000r/min, 励磁电压220V,运转方式连续。

3.1 稳压电源的选择

稳压电源的设计可以通过几种方法实现，根据具体的设计要求，通过比较论证确定采用以下方案：采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5V、±12V、+24V并能可调输出 1.2～24