直流电机调速系统项目设计方案

直流电机调速系统项目

设计方案

0 前言

电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。

1 总体方案设计

1.1 系统方案

针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次课程设计以AT89C52单片机为核心，以5个弹跳按钮作为输入端，达到控制直流电机的正转、反转、停止、加速、减速。在设计中，采用PWM技术对电机进行控制。

1.2 系统构成

该直流电机控制系统的设计，在总体上大致可分为以下5个部分组成：输入模块，AT89C52单片机，电源模块，驱动模块，直流电机。

系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

1.3 电路工作原理

根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。对于直流电机来说，认为机械特性方程式为：

n=U

N /(K

e

φ

N

)-(R

ad

+R

a

)/(K

e

K

t

φ2

N

)T=n-△n （公式 1-1）

式中U

N ，φ

N

----------额定电枢电压、额定磁通量；

K e ，K

t

---与电机有关的常数；

R ad ，R

a

-----电枢外加电阻、电枢电阻；

n ，△n—理想空载转速、转速降。

分析公式 1-1 可得，当分别改变U

N 、φ

N

和R

ad

时，可以得到不同的转速n，从而

实现对速度的调节。由于φ=T，当改变励磁电流I

f

时，可以改变磁通量φ的大小，从而

达到变磁通调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流

I

f

和磁通量φ只能在低于其额定值的围调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻

R

ad

时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到

控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。当我们改变占空比时，可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。

1.4 方案选择

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络智能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现起来很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构容易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：采用驱动芯片L298驱动直流电机，L298具有驱动能力强，外围电路简单等优点。

综合各方面的因素，采用了方案三。

2 硬件电路设计

2.1 系统分析与硬件设计

键盘向单片机数日相应控制指令，由单片机通过P3.0与P3.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大，驱动电动机来控制电路，实现电动机转向和转速的控制。

2.2 单片机AT89C52

采用AT89C52是MSC-51系列单片机的升级版，由世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51设计结构后，利用自身优势技术———闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。与此同时，世界上其他的著名公司也通过基本的51核，结合公司自身技术进行改进生产，推广了一批如51F020等高性能单片机。

AT89C52片集成256字节程序运行空间，8K字节Flash存储空间，支持最大64k外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0-33M之间。片资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低耗能模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压围正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降