基于单片机的直流电机调速系统设计

毕业设计(论文)题目基于单片机的直流电机调速设计

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定稿日期：2011 年6月1 日

目录

前言 (1)

1.总体设计方案 (2)

（一）方案一：PWM波调速 (2)

（二）方案二：晶闸管调速 (3)

2.单元模块设计 (4)

（一） H桥驱动电路设计方案 (4)

（二）调速设计方案 (5)

（三）系统硬件电路设计 (6)

1.电源电路 (6)

2．H桥驱动电路 (7)

3．基于霍尔传感器的测速模块 (7)

4．LCD显示模块 (8)

（四）调速设计模块 (9)

1．PWM波软件软件设计 (9)

2．测速软件设计 (12)

3.系统功能调试 (13)

（一）调试软件介绍 (13)

（二）直流电机的调速功能仿真 (14)

1．调速前的波形图 (14)

2．调速后的波形图 (14)

（三）电机速度的测量并显示功能仿真 (15)

（四）系统的电路原理图 (15)

（五）系统的PCB图 (16)

4.设计总结 (17)

5.参考文献 (17)

附录 (17)

前言

在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、两相低电压交流电机

直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，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。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。

尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名电子信息工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。

单片机（速度的

测量计算、输入 设定及系统控制） 单片机（PID 运算控制器、 PWM 模拟发生器）

电机

速度采集电路 电机驱动电路 键 盘 显示器 1.总体设计方案

（一）方案一：PWM 波调速

采用由达林顿管组成的H 型PWM 电路（图1—1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM 脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。

图1 PWM 波调速电路

其结构图如图1—2所示：

图2 电机调速系统框图

（二）方案二：晶闸管调速

采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M 系统）。如图1-3，VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT 的控制电压c U 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压d U ，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在410以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M 系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M 系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的du dt 与di dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

图3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M 系统）

兼于方案二调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。

2.单元模块设计

（一） H桥驱动电路设计方案

图2-1所示的H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图1.1-1所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

图4 H桥驱动电路

要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。

图5 H桥驱动电机顺时针转动