单片机的无刷直流电机速度伺服系统设计方案

论文名称：基于单片机的直流伺服电机测速系统设计

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摘要

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量电机转速的场合，例如在发动机、电动机、机床主轴等旋转设备的实验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速及瞬时速度。当前主要流行的测速方法有霍尔测速、磁电式测速和光电编码测速等，但是霍尔测速不仅价格相对较高，而且信号杂波大，需要额外的滤波电路开销；而磁电式测速容易受外界环境干扰，因此不适合用于强电磁干扰的工业环境，本系统采用光电编码测试进行速度伺服系统设计。

为了能精确地测量转速，且保证测量的实时性，本文提出了一种基于单片机的直流伺服电机测速系统设计方案。该系统通过定时器模拟PWM控制电机转速，采用外部中断的边沿触发功能捕获测速脉冲，并以此分析计算出电机转速，然后显示到LED数码管上面；此外，为了达到更精确的电机控制，设计的串行通信方案，通过PC机下传指令改变PWM输出占空比，以此控制电机转速。系统软件在Keil C51集成开发环境中采用C语言编写，并在Proteus软件中搭建电路，仿真验证了方案的可行性。

关键词：测速；单片机；直流伺服电机；串行通信

ABSTRACT

目录

摘要1

ABSTRACT2

目录3

第一章绪论5

1.1 课题研究意义5

1.2 国内外发展现状5

1.3 论文组织6

第二章系统方案设计7

2.1 硬件设计方案7

2.2 软件设计方案8

第三章硬件设计9

3.1硬件框图设计9

3.2主控制器模块9

3.2.1 控制器芯片选型9

3.2.2 最小系统设计10

3.3与PC机通信模块11

3.4电机驱动模块13

3.4.1 引脚排列13

3.4.2 L298N电路原理图13

3.5电机测速模块14

3.6LED显示模块15

3.7本章小结16

第四章软件设计17

4.1 软件框架17

4.2 电机控制18

4.3 LED显示20

4.4 RS232串口通信21

4.5本章小结22

第五章系统测试23

5.1 电机测试23

5.2 串行通信测试25

5.3 本章小结28

第六章结论29

6.1 已完成工作29

6.2 后续工作29

致谢31

参考文献32

附录33

第一章前言

1.1

课题研究意义电机测速在工程实际应用中必不可少，当前的电机测速主要分为直接法和间接法。直接法即直接观测机械或者电机的机械运动，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速。间接法即由于机械转动导致其他物理量变化，测量这些物理量的变化与转速的关系来得到转速。当然，电机测速方法

还可以分为轮轴测速方法和非轮轴测速方法，其中轮轴测速运用发电机和光电变换原理，而非轮轴测速采用多普勒雷达和加速度计。

随着微型计算机的广泛应用，单片机技术的日新月异，特别是高性能单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，使系统能达到更高的性能。在工农业生产和工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的实验、运转和控制中，常需要测量和显示其转速。测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关等等。

1.2 国内外发展现状

目前见到的许多关于直流电机的测速与控制类文献中，以研究无刷直流电机较多，采用电涡流式传感器，磁电式传感器，光电式传感器作为测速电机的重要元件。霍尔传感器的电机测速装置由单片机控制，能够做出使电机加速，减速的动作，还能够精确测速电机的转速，来控制电机的工作情况等多种功能。因此，霍尔传感器的电机测速装置可以看成简单的“计数器”，可广泛的应用于工厂电机的工作监控，汽车行驶速度显示，温室机器人的精密控制等技术领域，也可应用于复杂恶劣的航天航空工作环境，具有良好的民用和军用应用前景，

从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更精确的测速方案，以及在考虑在复杂的环境中工作也能保持性能的稳定性。更加广泛的应用国民的生活生产中去。在研究方法上，有的采用软件仿真，从理论作深入的研究；有的通过实践总结提出一些具有使用价值的实践方法。

1.3 论文组织

本文提出一种基于单片机的无刷直流电机速度伺服系统设计方案，并在Proteus软件中仿真验证了方案的可行性。针对该方案的具体实施方法，本文完成了以下工作：

<1）提出了一种无刷直流电机测速方案。即通过增量式光电编码器测量电机转速，并采用单片机的外部中断管脚捕获光电编码器的输出脉冲，通过分析计算单位时间内脉冲个数确定电机转速。

<2）完成了系统的软硬件设计。硬件设计通过Protues软件搭建电路连接图，软件通过Keil C51集成开发环境编写PWM、串行通信、电机驱动、电机测速及LED显示等各级模块驱动程序。

<3）仿真验证了方案的可行性。在Protues软件中通过LED数码管显示所测转速与实际转速误差在3%以内；此外，通过VPSD软件虚拟串口对，模拟串行通信实现了PC机对电机转速的控制。

论文具体章节安排如下：

第一章，介绍了本课题的研究背景、意义及相关国内外发展现状。

第二章，分硬件和软件两部分介绍了系统的总体设计方案。

第三章，详细叙述了系统硬件设计的原理、方案及方法。

第四章，详细叙述了系统软件设计的流程。

第五章，在Protues中搭建仿真平台，对系统方案进行了测试和分析。

第六章，总结课题的研究工作，并指出了存在的问题和进一步的研究方向。

第二章系统方案设计

2.1硬件设计方案

本系统设计的是一个无刷直流电机测速装置，该系统由主控模块