基于单片机的直流电机控制器的设计

目录

1系统论述 (2)

1.1设计思路 (2)

1.2基本原理 (2)

1.3总体设计框图 (2)

2直流电机单元电路设计和分析 (3)

2.1直流电机驱动模块 (3)

2.2直流电机的中断键盘控制模块 (7)

2．31602LCD液晶显示模块 (8)

3直流电机PWM控制系统的实现 (10)

3.1总电路图 (11)

3.2总电路功能介绍 (11)

3.3直流电机控制程序 (11)

4系统仿真 (18)

1系统论述

1.1 设计思路

直流电机PWM控制系统的主要功能包括：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，还可以方便的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（置数）、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80C51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80C51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。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成; 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 基本原理

主体电路：即直流电机PWM控制模块。这部分电路主要由80C51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80C51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80C51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。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成。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。

1.3 总体设计框图

系统组成：直流电机PWM调速方案如图1.1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提示。

AT89C51

AT89C51直流电机

驱动模块

直流电机

加速控制端减速控制端正转控制端反转控制端停止控制端

LCD 液晶显示

P0口

P2口

P1口

单片机

图 1.1 直流电机PWM 调速方案

2直流电机单元电路设计和分析

2.1 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 2.1.1 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。 2.1.2 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2.1所示。

图2.1 直流电动机结构

2.1.3 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，

时，

2.1.4 直流电机主要技术参数

直流电机的主要额定值有：

额定功率Pn ：在额定电流和电压下，电机的负载能力。 额定电压Ue ：长期运行的最高电压。 额定电流Ie ：长期运行的最大电流。 额定转速n ：单位时间内的电机转动快慢。以r/min 为单位。

励磁电流If ：施加到电极线圈上的电流。 2.1.5 直流电机PWM 调速原理

（1）直流电机转速

直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea 的正方向和电枢电流Ia 的方向相反，Ea 为反电动势；电磁转矩T 的正方向和转速n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均和n 相反，是制动转矩。

直流电机的数学模型 根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：

说明:

U ………………> 电压

Ea ……… >电枢电动势 n …………………>转速 I ………………>电枢电流 r a ……… >电枢回路电阻

Rc ……… >外在电枢电阻

T1，T2………>负载转矩

T0………… > 空载转矩 Φ………………> 磁通量

图1.1 直流电机工作

U=Ea-Ia （Ra+Rc ）……………………………………………式1.1

式1.1中，Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻和电刷接触电阻的总和；

Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻。

由此可得到直流电机的转速公式为：

n =Ua-IR/Ce Φ ……………………………………………式1.2

式1.2中，Ce 为电动势常数，Φ是磁通量。 由1.1式和1.2式得

n =Ea/Ce Φ ………………………………………………式1.3

由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V 时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。

（2）PWM 电机调速原理

对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T 不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。

图2.3 施加在

电枢两端的脉动电压

设电机接全电压U 时，其转速最大为Vmax 。若施加到电枢两端的脉动电

压占空比为D=t1/T ，则电枢的平均电压为：

U 平=U·D ……………………………………………式1.4 由式1.3得到：

n =Ea/Ce Φ≈U·D/ Ce Φ=KD ；

在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce Φ，是常数。

图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比和转速的关系图。

最大值Vmax

平均值Vd 最小值Vmin

t1

t2

T

图1.3 PWM调速原理图