直流电机闭环调速系统设计综述

《自动化系统综合实训》任务书

――――题目：直流电机闭环调速系统设计

一、实训的目的及任务

1.实训的目的

《自动化系统综合实训》作为自动化专业本科生的一门综合性实践性课程，应用已学的计算机、模拟数字电路、微控制器原理、传感器技术、可编程控制器技术、工业过程控制技术等知识，进行综合实践的训练，培养学生独立思考、独立解决问题的能力，努力开拓学生的知识面和创造力。

2.实训的任务

本实践环节主要以51、HCS12微控制器和PIC为主要应用对象，学习速度、位置等系统的实验制作方法，熟悉实验制作和程序过程，并能以动态的形式进行实时显示，以便能较快适应测控一体化的技术应用需求。

二、实训的内容与要求

学生独立的实验制作直流电机闭环调速系统，实现PWM调速、LED 显示设定速度和实际速度。

三、实训可提供的材料

包括：霍尔元件、直流电动机、、按键开关、电路基板电阻电容若干、焊锡、核心实验板、FREESCALE 实验器材及软件等其他耗材。

使用仪器：稳压电源，万用表，实验工具箱（创新或电工实验室可提供）。

四、实训模式

本课程为实训教学，以分组形式完成。教师分阶段提出问题、解答学生的疑问，检查学生的进度和完成情况

五、实训学时分配

地点：中原路校区2#楼207室、211室。

时间：第19、20周。

六、实训成绩评定

1．电路板制作及系统运行效果：70分

2．实训报告：30分。

七、参考资料

1 严隽永译．嵌入式微控制器．北京：机械工业出版社．2005

2 杨国田，白焰．68HC12微控制器原理、应用于开发技术．北京：电力出版社．2003

3何立民．微控制器应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版

社．2002

4胡汉才.MCS-51单片机原理与应用.北京：北京清华大学出版社，

1997，7

5 常小玲．电气控制技术与可编程控制器．北京：机械工业出版社．2006，12

审查意见：领导签字：

2006年12月31日

摘要

直流电机在社会生产中有着广泛的应用，本文给出了一种基于摩托罗拉单片机的直流调速系统，HCS12是Motorola新推出的高性能16位微控制器，具有强大的功能。霍尔测速及简单控制系统就是以它为控制核心，利用它的定时器输入捕捉和实时时钟实现了对电机转速的检测和实时显示功能。本系统可以实现PWM调速，以动态的形式显示速度和实际速度，以便能较快适应测控一体化的技术应用需求。Motorola单片机功能丰富、速度高、功耗低、稳定性强，是全球单片机的主流产品，MC9S12DG128属于摩托罗拉公司M68HCS12系列单片机，HCS12是继HC12系列之后推出的16位MCU ，可以很好的满足需求。

关键词微控制器直流电机霍尔元件

目录

1 引言 (4)

2 系统总体设计方案 (4)

2.1 直流电机的基本结构 (5)

3 元器件的选择与说明 (5)

3.1 微控制器的选择 (5)

3.2 霍尔元件的选择 (6)

4 硬件电路设计 (7)

4.1 电机驱动电路和反馈电路设计 (7)

4.2 显示电路设计 (7)

5 系统软件设计 (8)

5.1 系统程序设计 (10)

6 系统调试 (10)

7 总结 (11)

8 参考文献 (12)

9 附录1 (13)

10 附录2 (16)

1 引言

直流电机应用广泛，具有宽广的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等特点，广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。MC9S12DG128是美国MOTOROLA推出的一款中档16BIT嵌入式微控制器，以CPU12为核心，丰富的内部资源和外部接口资源可以满足各种ECU数据的处理以及发送和接收。可以很好的满足我们的要求。霍尔测速与简易控制系统利用HCS12处理核心和霍尔元件的对磁场敏感特性实现对电动机转速的测量与控制。速度是很多控制系统都要涉及到的重要参数，该系统硬件电路设计简单，利用C语言实现程序的设计，能满足很

多速度控制系统的要求。本设计主要是通过微控制器来实现直流电机的调速，以此加强动手能力，适应测控技术的快速发展。

2 系统总体设计方案

系统总体设计方框图如图1所示。

图1 系统总体设计方框图

系统工作原理：当电动机转动，靠近霍尔传感器，在霍尔效应的作用下产生霍尔脉冲，产生的输出脉冲作为单片机的输入脉冲信号送MCU的PT1口。MCU的PORTP口作为四位数码管的位码控制口，PORTA口作为四位数码管的段码控制口。在电动机上的转轴上粘贴上小磁块，霍尔开关固定在靠近转轴的位置。电机启动时转轴旋转，当磁块转过霍尔元件时，霍尔测速检测电路就会不断地产生脉冲输出信号输入到微控制器，经数据处理送八段数码管显示，再经过比较后，决定加速或减速。

2.1 直流电机的基本结构

直流电机由定子和转子两个基本部分组成。

定子主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等组成。（1）主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。a.磁极铁心：由l~1.5mm 厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。是磁路部分。b.励磁线圈：是磁路部分，产生主磁场。

（2）换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。作用：是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的火花。

（3）机座由铸钢或厚钢板制成。作用：来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定部分，又是电机磁路的一部分。（4）端盖与电刷。作用：支持转子的转轴，固定电刷架。

转子（电枢）的组成：主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。（1）铁心：由0.5㎜厚硅钢片叠压而成。作用：用来嵌放电枢绕组，是直流电机

磁路的一部分。

（2）电枢绕组：其作用是产生感应电动势和电磁转矩。

（3）换向器：换向器又称整流子，其作用是将直流电动机输人的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。3.气隙是电机磁路的重要部分。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，称为工作气隙。气隙大小对电机性能有很大影响。

3 元器件的选择与说明

本次设计直流电机有学校提供，型号为JOHNSON（5伏）。以下说