直流电机调速控制系统设计.

（学校名字）

计算机控制技术课程设计直流电机调速控制系统设计

学生姓名xxx

学号xxx

学院名称xxx

专业名称xxx

指导教师xxx

xx年xx月xx日

目录

1 系统方案设计 (1)

1.1 直流电机调速控制原理说明 (1)

1.2 直流电机调速控制系统原理图 (2)

1.2.1 电动机调速系统框图 (2)

1.2.2 调速系统原理图 (2)

2 系统硬件设计 (4)

2.1 滑动变阻器的作用与选择 (4)

2.2 AT89C51单片机 (4)

2.2.1 AT89C51单片机功能及引脚说明 (4)

2.2.2 PWM的输出方式与端口的选择 (6)

2.3 PWM功率放大电路 (8)

2.4电机驱动 (8)

2.4.1元器件的选择 (8)

2.4.2电机驱动的原理 (8)

2.4.3电机驱动的优势 (9)

2.4.4电机驱动的不足 (9)

2.5 直流电动机 (9)

2.6 速度测量电路原理说明和器件选择 (10)

2.7 显示电路原理与芯片的选择 (11)

结论 (13)

参考文献 (14)

1 系统方案设计

1.1 直流电机调速控制原理说明

图1.1所示电枢电压为Ua ，电枢电流为Ia ，电枢回路总电阻为Ra,电机常数K ，励磁磁通量是φ。

直流电机的转速计算公式如下：n=(Ua-IaRa )/Kφ，其中Ua 为电枢端电压，Ia 为电枢电流，Ra 为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K 为电动机结构参数。

其中，对于极对数p ，匝数为N ，电枢支路数为a 的电机来说：电机常数K=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在Ua-IaRa 中，由于Ra 仅为绕组电阻，导致IaRa 非常小，所以Ua-IaRa 约等于Ua 。由此可见我们改变电枢电压时，转速n 即可随之改变，同时可以看出，转速和Ua 、Ia 有关，并且可控量只有这两个，因此我们可以通过调节这两个量来改变转速。

我们知道，公式中的Ia 可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM 控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也就是用PWM 控制来进行电机转速调节的。通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小绝对平均电压的大小，也决定了电机的转速大小。

直流电机原理图如下所示：

图1.1 直流电机原理图

1.2 直流电机调速控制系统原理图

1.2.1 电动机调速系统框图

图1.2.1 电动机调速系统框图

其中Ui为给定值，从输入端输入，然后经过功率放大器，带动电动机工作，从而获得输出端的输出转速n，再由测速机测量电动机的转速，通过比较器进行比较，与所需要的转速经过比较，看是否满足需要，若不满足，改变给定值的大小。

1.2.2 调速系统原理图

图1.2.2 调速系统原理图

在图1.2.2的原理中，由计算机进行总控制，滑动变阻器为手动控制系统，由计算机

对单片机AT89C51进行控制，改变输入，使单片机的一个I/O端口作为输出指令端口，产生PWM控制波形，经过电机驱动带动直流电动机工作，产生的转速经过速度测量装置，再反馈给单片机最终由显示电路显示，然后根据显示器的显示数值，与所需的输出值进行比较，若不吻合，则通过调节活动变阻器，改变阻值，最后由单片机再反应给下一阶段，再重复一开始的步骤，最终达到改变转速的目的

2 系统硬件设计

2.1 滑动变阻器的作用与选择

滑动变阻器是电路中的一个重要元件，它可以通过移动滑片的位置来改变自身的电阻，从而起到控制电路的作用。在电路分析中，滑动变阻器既可以作为一个定值电阻，也可以作为一个变值电阻。

在本电路系统中，主要充当改变电阻值，从而改变电动机转速的作用。

图2.1 分压式滑动变阻器原理图

之所以采用分压式滑动变阻器，主要是因为本电路要求待测用电器电流及其两端电压可变范围较大，这样电动机的调速范围也可以相对较大，能够满足设计需要。

2.2 AT89C51单片机

2.2.1 AT89C51单片机功能及引脚说明

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

引脚排列如图所示。

图2.2 AT89C51引脚图

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。