PWM控制的直流电动机调速系统设计

中国地质大学长城学院本科毕业设计

题目PWM控制的直流电动机

调速系统的设计

系别信息工程系

学生姓名

专业电气工程及其自动化

学号04309139

指导教师

职称讲师

2013 年 5 月20 日

PWM控制的直流电动机调速系统设计

摘要

直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。

转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有非常好的调速性能，目前，在一些对调速性能要求比较严格的场合中，主要使用的还是直流调速系统。

本设计是以单片机AT89C51和L298控制的直流电机PWM调速系统。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LED上的实时显示。

关键词：直流电机；转速；AT89C51；L298；PWM调速

ABSTRACT

DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency.

Speed is an important physical quantity in the operation of the DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed, and to achieve in practical work with a very large value in use of the motor speed control. DC motor has very good speed performance, in some occasions more stringent requirements on the speed performance, the main use of the DC speed control system.

This design is DC motor PWM speed control system which is based on single chip microcomputer AT89C51 and L298 to control. Using AT89C51 chip to design the low-cost dc motor control system, which can simplify the system structure, reduce the system cost, enhance the system performance, meet the needs of more applications. System control the move forward, reverse, stop, acceleration and deceleration of the motor, and PWM duty ratio in real-time display on LED.

Keywords：DC Motor；Speed；AT89C51；L298；PMW Speed Automatic

目录

1绪论 (1)

1.1研究背景 (1)

1.2国内外发展现状 (1)

1.3设计目的和意义 (2)

2直流电动机调速的概述 (4)

2.1直流电机调速原理 (4)

2.2直流调速系统实现方式 (5)

2.3控制程序设计 (5)

3总体设计方案 (7)

3.1设计思路 (7)

3.2总体设计规划 (7)

3.3系统框架设计 (8)

4系统硬件设计 (9)

4.1系统基本组成 (9)

4.1.1硬件模块组成 (9)

4.1.2单片机整个控制模块 (9)

4.2单片机AT89C51简介 (9)

4.3复位电路及时钟电路 (11)

4.5 LED数码管显示 (13)

4.5.1 LED简介 (13)

4.5.2 LED数码管和单片机的连接 (14)

4.6独立键盘控制模块 (14)

5系统的软件设计 (16)

5.1系统软件设计分析 (16)

5.2系统程序设计分析 (17)

5.2.1主程序设计 (17)

5.2.2按键延时程序 (19)

5.2.3中断子程序 (19)

5.3PWM脉宽控制 (20)

5.4仿真图 (21)

5.5仿真结果分析 (21)

结论 (24)

参考文献 (25)

致谢 (26)

附录 (27)

1绪论

1.1研究背景

在现代化工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于国防、石油化学、机械、冶金等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和供应量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

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。直流电机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，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，这时通过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：模拟电路很容易随时间飘移，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、经济等特点。从而这就要求大量使用PWM控制的直流调速系统，因此人们对PWM控制的直流调速系统的研究将会更深一步。

1.2国内外发展现状

电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、相互促进的。近30年来，电力电子技术的迅猛发展，带动和改变着电机控制的面貌和应用。驱动电动机的控制方案有三种：工作在通断两个状态的开关控制、相位控制和脉宽调制控制，在单向通用电动机的电子驱动电路中，主要的器件是晶闸管，后来是用相位控制的双向可控硅。在这以后，这种半控型功率器件一直主宰着电机控制市场。到70和80年代才先后出现了全控型功率器件GTO晶闸管、GTR、POWER-MOSFET和IGBT 等。利用这种有自关断能力的器件，取消了原来普通晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构，提高了效率，提高了工作频率，降低了噪声，也缩小了电力电子装置的体积和重量。后来，谐波成分大、功率因数差的相控变流器逐步由斩波器或PWM变流器所代替，明显地扩大了电机控制的调运范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数[1]。

直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速系统基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了脉宽调速永