电机控制系统设计

课程设计报告

课程名称：专业综合课程设计

报告题目：电机控制系统设计

学生姓名：

所在学院：信息科学与工程学院专业班级：

学生学号：

指导教师：

2014年12月30日

课程设计任务书

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。此次设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。

关键词：AT89C51单片机、PWM调速、正反转控制、芯片IR2110。

一、概述 (1)

二、方案设计与论证 (1)

2．1设计思路 (1)

2．2总体设计框图 (1)

2．3直流电动机模块 (2)

2．3.1直流电机类型 (2)

2．3.2直流电机结构 (2)

2．3.3直流电机工作原理 (3)

2．3.4电机驱动模块电路设计 (3)

2．4直流电动机中断模块设计 (3)

2．4.1外部中断设计 (3)

2．5 1602LCD液晶显示模块 (4)

三、直流电机PWM控制系统的实现 (4)

3．1原理图功能介绍 (4)

3．2直流电机控制程序 (5)

四、仿真分析 (9)

五、总结与心得 (10)

六、参考文献 (11)

一、概述

直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。

近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。

采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。

随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。

二、方案设计与论证

2.1 设计思路

本文主要研究了利用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。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

2.2 总体设计框图

系统组成：直流电机PWM调速方案如图2-1所示：

方案说明：直流电机PWM调速系统以AT89C2051单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD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LCD显示模块去显示，从中不仅能读取其速度，而且能知晓其转向及一些温心

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

2.3.1 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。

2.3.2 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。

2.3.3 直流电机工作原理

直流电机电路模型如图2.2所示，磁极N 、S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd 。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，

2.3.4 电机驱动模块的电路设计

根据直流电机的工作原理，从PROTEUS 选取元器件如下，放置元器件、放置电源和地]连线，我们参此设计的直流电机驱动模块电路如图2-3所示

图2-3 直流电机驱动电路

2.4 直流电机的中断键盘控制模块 2.4.1 外部中断设置

中断控制寄存器IE 的EX0对应INT0，EX1对应INT1，EA 为中断的总开关，若要开放外部中断，只要将IE 对应的位和总开关EA 置1即可。

单片机外部中断有两种触发方式，一种是电平触发方式，另一种是脉冲触发方式，单片机外部中断触发方式与TCON 的IT 位有关。

电平触发设置方法：CLR ITX ，为低电平触发方式。 脉冲触发设置方法：SETB ITX ＝1，为脉冲下降沿触发方式。 在使用外部中断时，如果不进行设置，则为电平触发方式。

在图2-4为外部中断扩展方法，设X1、X2、X3、X4、X5为外部警情信号，X1代表是加速信号，X1=0表示加速；X2代表减速信号，X2=0表示减速；X3代表正转信号，X3=0表示正转；X4代表反转信号，X4=0表示反转；X5代表停止信

图1.1 直流电机工作