基于单片机的直流电机调速系统的课程设计

一、总体设计概述

本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。

二、直流电机调速原理

根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式：

式中U——电压；

Ra——励磁绕组本身的内阻；

——每极磁通（wb）;

Ce——电势常数；

Ct——转矩常数。

由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。

电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“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”。如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。

三、系统硬件设计

1、调速系统总体分析设计

以单片机作为控制的核心，采用H桥电路芯片L298完成电机驱动主电路，霍尔器件构成速度采集并转换为脉冲电路，PWM模拟发生器，通过LCD显示器输出电机的转速与3*4的键盘组成人机接口电路实现起动、加速、减速、反转、制动的功能。

总体硬件电路设计：

图一：整体方案框图

2、PWM信号发生电路

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。

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，并且根据需要改变一个周期内“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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-8所示：

图二： PWM方波

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平均速度为Va = Vmax * D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D = t1 / T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

3、单元模块设计

㈠驱动主电路模块

功率放大驱动芯片有多种，此次我们所用的芯片为L298主控芯片。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出

L298N引脚图

电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独

引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。在实际运用中由于存在从强电到弱电的连接，为保护电路，L298N的输入端in1和in2都必须采用图中所示的光耦合隔离电路进行隔离。图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。PWM控制信号由in1、in2输入。如果in1为高电平，in2为低电平时电机为正向转速，反之in1为低电平，in2为高电平时，电机为反向转速。本设计将in2直接接地，即采用单向制动的方式。如下图三所示：

图三：L298驱动电路

⑵人机接口电路

①接口电路的扩展

80C51单片机与可编程并行I/O接口扩展接口8155A，该连接可以直接连接而不需要添加任何逻辑器件，其接口电路图如图三所示。在图中，80C51单片机P0输出的低8位地址不需另加锁存器而直接与8155A的AD0-AD7相连，即作为低八位地址总线又作数据总线。地址锁存直接用ALE在8155A锁存。8155A的CE 端与P2.7相连，IO/M端与P2.0相连。当P2.7为低电平时若P2.0=1，访问8155A 的I/O口；若P2.0=0，访问8155A的RAM单元，由此可以得到8155A的地址编码如下：RAM字节地址 7E00—7E00H

I/O口地址（命令/状态口 7F00H，PA口 7F01H，PB口 7F02H，PC口 7F03H，定时器低八位7F04H，定时器高八位7F05H）

图四：人机接口电路

②矩阵键盘电路

本设计采用4*3矩阵键盘，它们分别与P1口相连，作为设定速度的输入。12个按键功能描述：0~9的10个数字键，next和ok两个功能键。连接在P1端口进行扫描，ok键就是确认键，功能是将设置好参数后退出设置模式，next键按下后就是将光标切换到下一个要设置的位值。其电路如图五所示。

图五：键盘电路

③LCD显示电路与单片机的接口设计

本次设计中采用的LCD12864是一种内置8192个16*16点汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/ 列驱动器及128×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7.5×2个(16×16