PWM直流电机调速
摘要
本文首先简要介绍了直流小电机的实行方案最终选择方案一作为实施方案；然后介绍了PWM相关的原理脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。
脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。之后详细设计了基于MCS-51 单片机的直流小电机PWM调速的系统硬件电路以及各电路硬件说明目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，；最后是实现直流小电机PWM直流调速系统软件设计，附录有相关的系统源程序。
关键词PWM，单片机，直流电机
Abstract
This article first briefly introduced as soon as directs current the small electrical machinery to implement the plan the selection scheme to take the implementation plan finally; Then introduced the PWM related principle The pulse width modulation (PWM) is English “Pulse Width Modulation” abbreviation, abbreviation pulse-duration modulation. It is loses using microprocessor's digit carries on the control to the analogous circuit one kind of very effective technology, widely applies in the survey, the correspondence, the power control and the transformation and so on many domains.
the pulse width modulation (PWM) is one kind carries on the digital coding to the simulated signal level the method. Through the high resolution counter's use, the square-wave dutyfactor is modulated uses for to carry on to a concrete simulated signal level the code.; Afterward detailed design based on MCS-51 monolithic integrated circuit's direct-current small electrical machinery PWM velocity modulation system hardware electric circuit as well as various electric circuits hardware explanation; Finally is realizes directs current the small electrical machinery PWM cocurrent velocity modulation system software design, the appendix has the related
system source program.
key word：PWM monolithic integrated circuit direct current machine
目录
摘要.....................................................................................................I Abstract................................................................................................II
第1章绪论 (1)
第2章方案论证 (3)
2.1总体方案论证 (3)
2.2 PWM的基本工作原理 (5)
2.3 直流电动机转速控制系统的工作原理 (5)
2.4 PWM码简介及解码原理 (6)
第3章系统硬件电路设计 (7)
3.1电源电路设计 (7)
3.2单片机最小应用系统的实现 (7)
3.3 D/A转换接口电路设计 (10)
3.3.1 DAC0832简介 (10)
3.3.2 DAC0832与单片机的接口 (11)
3.4功放电路 (12)
3.4.1晶体三极管 (12)
3.4.2基本放大电路的组成 (13)
第4章系统软件电路设计 (14)
4.1 软件实现方法 (14)
4.2程序的基本组成 (14)
4.2.1主程序设计 (14)
4.2.2定时中断子程序设计 (15)
结论 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
附录A (23)
附录B (24)
附录C (30)
第1章绪论
1.1 选题背景和目的
直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速产生于20世纪70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展, PWM 技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调
速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而MCS-51 系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，本文采用定时器配合软件的方法实现了MCS-51
单片机的PWM输出调速功能,这对精度要求不高的场合是非常实用的。随着社会的发展，各种智能化的产品日益走入寻常百姓家。为了实现产品的便携性、低成品以及对电源的限制，小型直流电机应用相当广泛。对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现PWM 调速的方法。
1.2 发展现况
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年 A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM 方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。
在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，
载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。为求得改善，随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。
1.3 研究方法
本次设计是利用单片机8051设计的直流电机pwm调速，然后详细设计了基于MCS-51 单片机的直流小电机脉宽调速的实现方法，在设计过程中，可以充分利用8031及其最小应用系统，通过软件程序和硬件来实现对直流电机进行调速
第2章方案论证
2.1总体方案论证
通过翻阅资料和网上查找，拟定二套设计方案：
图2.1 结构硬件原理图
由结构原理图可以看出它主要有以下几部分构成：单片机最小系统的应用、由DAC0832芯片组成的D/A转换电路、电源电路、功放电路等。那么个组成电路的功能如下：在8051单片机最小应用系统中，P0口作8位数据线/低8位地址总线的复用口直接与各芯片的8根数据线相连，而P3口有第二功能作用。他们与其他外部元件相连接构成单片机的最小系统。
D/A转换电路主要是将单片机产生的波形从数字形式转化为模拟形式，并把输出电流转换成输出电压，并完成对输出电压峰值的控制。由一个DAC0832和两个运放组成，DAC0832将数字量转换成模拟量，而运放则是将输出电流转换成输出电压，并且将单极性输出转换成双极性输出。
电源电路主要是由7805芯片组成的电源电路。主要功能是给单片机最小系统以及D/A转换电路供电，外接电源为220伏的交流电。
功放电路主要由运算放大芯片组成，主要作用是提高输出信号的伏值和功率，使之能够驱动直流电动机能使他正常工作。
方案一优点：电路较复杂，灵活性强，通过硬件实现，编程也比较简单。直流调速准确。
缺点：设计较繁琐，成本高。
方案二：
图2.2结构硬件原理图
由结构原理图可以看出它主要有以下几部分构成：单片机最小系统的应用、驱动芯片、直流电机三部分组成。这里利用定时计数器让单片机P1 口的P1.0，P1.1 脚输出方波，然后经驱动芯片放大后来控制直流小电机（图2.2），让P1 口输出占空比不同的方波即可达到调速的目的。一个电机由P1 口的两根位线来控制。驱动芯片的输入电压实际上是两根位线的电压差，在调速时如果两根位线同时输出方波，它们之间的电压差控制起来就比较复杂。实际中是让其中一根位线长期为低电平，而另一根位线产生调速方波，这样两根位线的电压差就可通过控制其中一根位线来控制。当需要改变电机转动方向时，可以让输出低电平的位线输出方波，而让输出方波的位线一直输出底电平即可达到目的。定时计数器每中断一次，就使P1口控制位线（P1.0 或P1.1）产生一个高电平或低电平。这里把直流小电机的速度级设为7个等级，由等级数来决定一个周期的高电平的总个数。按一个脉冲（包括高电平和低电平）为30ms 来计算，一个方波周期7个脉冲（图2.3），周期即为210ms。占空比为高电平脉冲个数比上一个周期总的脉冲个数7。当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/7，速度最低；当高电平脉冲个数为7 时，占空比为1，相当于电机全速运行，速度最高。
图2.3 电机调速方波
在定时器中断服务程序中，先判断一个方波周期到否,如果到了就将P1口控置位线恢复为高电平；如果一个方波周期还没到，就判断高电平冲个数到否，到了就应该将输出电平置低，否则继续保持P1口控制位线为高，中断返回，等待下一次定时中断。这样P1口控制位线就输出了所需占空比的调速方波。
方案二的优点：硬件电路结构简单，成本低。
方案二的缺点：利用单片机的P1.0和P1.1作为控制直流电机转速的,精度不够，不稳定。
经过论证我选择方案一作设计方案。
2.2 PWM的基本工作原理
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”。如图2所示，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，即可让电机转速得设电机始终接通电源时，电机转速最大为，设占空比为D=t／T，则电机的平均速度为
最大值‰
平均值
最小值‰ x
图2 电枢电压“占空比”与平均电压关系=VmD (2)式中，——电机的平均速度；
——电机全通电时的速度(最大)；D=／卜占空比。由公式(2)可见，当我们改变占空比D：t／T时，就可以得到不同的电机平均速度，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。
2.3 直流电动机转速控制系统的工作原理
直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。当电动机转速小于设定值时．DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小．从而使电动机以设定的速度恒速旋转。我们采用比例调节器算法。控制规律：Y=KP e(t)+KI』e(t)dt
式中：Y一比例调节器输出，K 比例系数，K一积分系数e(t)一调节器的输入，一般为偏差值。系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快(无滞后)，积分部分使系统消除静差。
2.4 PWM码简介及解码原理
PWM 码是一种脉宽调制码，它的组成为9MS 高电平和4MS低电平引导脉冲，16 位系统识别码，8位数据正码和8 位数据反码。我们要解的就数据码。一个PWM 码的0是由一个0.58ms的低电平和一个0.58ms的高电平87组成，1是由一个0.58ms的低电平地和一个1.58ms的高电平组成。解码原理是这样的。首先通过延时来丢开引导码，然后通过解码丢掉16 位系统识别码，最后解系统正码和反码。解开后将正码取反看是否与反码相同，如果相同，即解开保存其值。解码0 或1是这样的。在低电平的时候等待，直到为高了后，用一个0.882ms 的延时去量，量完后，如果为低了,证明前面是一个0.58ms低电平和一个0.58ms 高电平地组成，即保存一个0.如果为高，则证明是由一个0.58ms 低电平地和一个1.58ms 高电平组成，即保存一个1 .为1则再调一个延时，让它延到低电平。等待到高电平后重复上述过程解码。
第3章系统硬件电路设计
3.1电源电路设计
本设计的电源都是正5V供电，电源电路是由一变压器，桥式整流电路，7805芯片所组成。单路原理图如下（图3.1）
图3.1电源电路原理图
3.2单片机最小应用系统的实现
8051属于MCS-51系列单片机的一种，它的内部结构框图如图3.2所示，它由以下几个部分组成：
图3.2 MCS51系列单片机的内部结构框图
·一个8位中央处理器CPU，它由运算部件、控制部件构成，其中包括振荡电路和时钟电路，其主要功能是完成单片机的运算和控制功能。
·128个字节的片内数据存储器RAM，用于存储读写数据。
·18个特殊功能寄存器，它用于控制和管理片内算术逻辑部件。单行I/O
口，串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。
·4个8位并行输入输出I/O接口。P0口、P1口、P2口、P3口（共32线），用于并行输出或输入数据
·1个串行I/O口，它可使数据1位1位串行的在计算机的外设之间进行传送。
·2个16位定时器/计数器。它可以设置成计数方式对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式进行定时。
·一个具有5个中断源，可编程为2个优先级的中断系统，它可以接收外部中断申请，定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。
另外，需要说明的一点是8051与其他MCS-51系列单片机相同，它有片内程序只读存储器ROM或EPROM，因此在使用中不必外接ROM或EPROM，样就能构成一个完整的系统。
MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚。在40个引脚中有2个专用于主电源的引脚，2个外接晶体的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。功能如下：
1. 主电源引脚V cc和V SS
V CC（40脚）：接+5V电源正端；
V SS（20脚）：接+5 V电源地端。
2. 接晶体引脚XTAL1和XTAL2，它们分别接外部石英晶体的两端。
3. 控制信号或与其它电源复用引脚
（1）T/V PD(9脚)：RST即为RESET，V PD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
（2）ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8位地址。
（3）PSEN (29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。
（4）EA/V PP (脚)：Ea为访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。
4. 输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口
（1）P0口（39脚-32脚）：P0.0-P0.7统称为P0口，作为准双向8位输入/输出
接口。
（2）P1口（1脚-8脚）：P1.0-P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。
（3）P2口（21脚-28脚）：P2.0-P2.7统称P2口，一般作为准双向I/O接口。
（4）P3口（10脚-17脚）：P3.0-P3.7统称为P3口,它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每一位用于它的第2功能。其第2功能如表3.1所示。
第21脚至28脚相对应的8条口线P2.0至P2.7组成了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。
表3.1 P3口第2功能表
第32脚至39脚相对应的8条口线P0.0至P0.7组成了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。
有了这些标准输入输出口，使用起来就很方便了。这样，我们可编制一段程序，向这些标准口中存入一定的数据(这些数据也可叫控制字)，各口线引脚就会呈现出不同的高低。比如我们向P0、P1、P2、P3口中送入数据#00H，则每个口的各口线电位状态就会为“0000 0000”，也就是各条口线皆呈低电位。我们再向P0口送人数据#03H。
P0.0至P0.7各条口线所呈电位为“0000 0011”，也就是只有P0.0和P0.1两条口线所对应的引脚呈高电位。另外，还应知道，P0口的P0.0-P0.7的位地址是80H至87H，P1口的P1.0至P1.7的位地址是90H至97H，P2.0至P2.7和P3.0至P3.7的位地址分别是AOH至A7H和BOH至B7H。
3.3 D/A转换接口电路设计
3.3.1 DAC0832简介
在本设计中，D/A转换电路采用的是一个8位D/A转换器0832，它是单电源供电，在+5V——+15V范围内均可正常工作。其基准电压的范围为+10V——-10V, 电流建立时间为1us，低功耗20mW,其引脚如图3.3所示；
图3.3 DAC0832引脚图
各引脚的功能如下：
（1）D7-D0:转换数据输入端。
（2）CS:片选信号，输入，低电平有效。
（3）ILE:数据锁存允许输入信号，输入，高电平有效。
（4）WR1: 写信号1，输入，低电平有效。
（5）WR2: 写信号2，输入，低电平有效。
（6）XFER:数据传送控制信号，输入低电平有效。
（7）I OUT1:电流输出1，当DAC寄存器各位为全“1”，时电流最大；
为全“0”时，电流为0。
（8）I OUT2：电流输出2，电路中保证I OUT1 +I OUT2=常数。
（9）R fb:反馈电阻端，片内集成的电阻为5K。
（10）V ref：参考电压，可正可负，范围为-10——+10V。
（11）DGND：数字量地。
（12）AGND：模拟量地。
3.3.2 DAC0832与单片机的接口
DAC0832与单片机的接口有3种连接方式，即直通方式、单缓冲方式及双缓冲方式直通方式不能直接与系统的数据线相连，需要另加锁存器，因此一般很少用，通常用的是另外两种连接方式。在本系统中，由于只用了一路模拟量输出，因此采用单缓冲方式。其连接方式如图3.4所示：
图3.4 DAC0832单缓冲连接方式
需要说明的是DAC0832的输出为电流，使用时必须经过转换电路将其转换为电压。而当只采用一级运算放大器转换时，如果它的参考电压为正电压，那么经过运算放大器后的输出电压为负电压，反之则得到正电压。
图3.5 DAC0832的双极性输出接口
它们的关系为：当Vref接+5V（或-5V）、数字量的变化范围为0—255时，输出电压范围为0——10V（或-10V），如果参考电压为正电压而想得到正电压输出的话，可采用双极性电压输出电路。在本设计中，由于输出为正弦波，要求双极性电压输出，因此采用两极放大电路，电路图如图13所示。其中运放A2的用来把运放A1 的单极性输出变为双极性输出。D/A转换电路的最大输出幅度由0832V REF端的参考电压决定。
3.4 功放电路
放大电路是电子电路中应用最多的单元电路。利用放大电路可以把微弱的电信号放大到足够的幅度去带动负载工作，完成预定任务。放大电路有很多种，本系统采用结构最简单的单管放大电路。晶体三极管，主要的功能是就电流放大作用，是电子电路的核心元件。
3.4.1晶体三极管
1. 晶体三极管的电流放大作用
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。三极管有一个重要参数就是电流放大系数β=ΔIc/ΔIb。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
2. 晶体三极管的三种工作状态
截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。
放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β＝ΔIc/ΔIb，这时三极管
处放大状态。饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。
3.4.2基本放大电路的组成
在放大电路中，三极管有三种基本的接法：共发射极放大电路、共基极放大电路、共集电极放大电路。
1. 共发射极放大电路
共发射极放大电路是应用最普遍的放大电路。被放大的信号从三极管的基极和发射极输人，放大后的信号从三极管的集电极和发射极输出，以发射极为输人、输出回路的公共端，所以称为共发射极放大电路。它的电流放大倍数较大，功率放大倍数更大，但在强信号是失真较大。
2. 公基极放大电路
被放大信号从发射极和基极输人，放大后的信号从集电极和基极输出，以基极为输人、输出回路的公共端，所以称为共基极放大电路。它的输入阻抗低，输出阻抗高，电流放大倍数小于1，不易与前级匹配。功放原理图图3.6所示
图3.6功放电路图
第4章软件系统设计
4.1 软件实现方法
利用单片机对PWM信号的软件实方法。MCS一51系列典型产品8051具有两个定时器。通过控制定时器初值，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。
由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。定时器／计数器为Ⅳ位，则定时器初值与定时时间的关系为：基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统51式中，——定时器定时初值；Ⅳ——一个机器周期的时钟数。求出占空比D，再根据周期分别给电机通电个单位时间t。，所以M=t ／t。。然后，再断电个单位时间，所以=t2／t 。改变和的值，从而也就改变了占空比D。计数法的基本思想是：当单位延时个数求出之后，将其作为给定值存放在某存储单元中。在通电过程中，对通电单位时间t。的次数进行计数，并与存储器的内容进行比较。若不相等，则继续输出控制脉冲，直到计数值与给定值相等，使电机断电Ⅳ随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值，从而改变占空比D，进而达到控制电机转速的目的。
通过控制定时器初值和，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比
的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为．厂，定时器／计数器。
4.2 程序的基本组成
4.2.1主程序设计
主程序部分主要对定时计数器T1的工作方式、中断入口地址、计数初值、中断产生、进行设置，为了方便程序编程。
图4.1主程序流程图
4.2.2 定时中断子程序设计
1. 定时计数器TMOD设置
选用T0 作为产生脉冲用的定时器并且使它工作在模式1 下。在模式1 中，寄存器TH0 和TL0 以全8 位参与操作，构成一个16 位定时/计数器，当TH0 溢出时向中断标志位TF0进位，并申请中断。在这种模式下T0 定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速。
工作模式寄存器TMOD。格式如表4.1 所示：
TMOD 的高4 位用于T1，低4 位用于T0，4 种符号含义如下：
GATE：门控位。
C/T ：定时/计数器方式选择位。C/T =0 为定时器方式，C/T =1时为计数器方式。
M1M0：工作模式选择位,具体如下：
表4.1 TMOD寄存器
GATE C/T M1 M2 GATE C/T M1 M0
0 0 0 1 0 0 0 0
M1M0=00：模式0（13 位定时/计数器）
M1M0=01：模式1（16 位定时/计数器）
M1M0=10：模式2（8 位自动重装常数的定时/计数器）
M1M0=11：模式3（2 个8 位定时/计数器，仅对T0）
因在程序中T0 是作为定时器，T0 的C/T 控制位就应设置为0；T0 工作在模式1，TMOD中控制T0的M1M0应设置为01，其它位全部设置为0，即应给工作模式寄存器TMOD赋值01H。
2. 工作方式1及初值计算
当M1，M0=01时，定时/计数器处于工作方式1，此时，定时/及数器的等效电路仍以定时器0为例，定时器1与之完全相同。
方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA 、、TF0、TR0）和方式0相同。
在工作方式1下，计数器的计数值范围是： 1—65536（216）。当为定时工作方式1时，定时时间的计算公式为：
（216—计数初值）╳晶振周期╳12
如果单片机的晶振选为6.000MHz，则最小定时时间为：
[213—（216—1）]╳1/6╳10-6╳12=2╳10-6(s)=2(us)
(216—0)╳1/6╳10-6╳12=131072╳10-6(s)=131072(us)。
定时/计数器中的计数器是在计数初值基础上以加法计数的，并能在计数器从全“1”变为全“0”时自动产生溢出中断请求。因此，可以把计数器计数初值设定为TC，定时器定时时间T 的计算公式为：
T=（M-TC）T 计数[2]式中M 为计数器模值，该值和计数器工作模式有关。在模式1 时M 为216。在定时器模式下，T 计数是单片机振荡周期的12 倍。上式也可写成：TC=M-T/T 计数在程序设计中工作模式为模式1，则计数器模值M=216=65536；
假设单片机仿真器的晶振频率为22.1184MHz，则：
T 计数＝12/(22.1184×106)=5.425347×10 。
若定时时间长度为30ms,则：
TC=65536-30×10-3/5.425347×10-7=10240=2800H
给定时器赋值时：
MOV TL0, #00H；
MOV TH0, #28H
3. 中断设置
除特殊功能寄存器TCON 和SCON 中的某些位与中断有关以外，还有一个特殊功能寄存器即中断允许寄存器IE 用来设定各个中断源的打开和关闭。其形式如表4.2 所示。
图4.2 中断系统的结构框图
IE寄存器各位的含义如下：
EA（IE.7）：CPU的中断总允许标志位。当EA=1时，CPU允许中断；当EA=0时，CPU禁止所有的中断请求。
表4.2 IE寄存器
EX1 ET0 EX0IE EA X ET2 ES ET1
位地址AFH ADH ACH ABH AAH A9H A8H
电动摩托车控制器中的电机PWM调速 摘要：随着“低碳”社会理念的深入，新型的电动摩托车发展迅速，逐渐成为人们主要的代步工具之一，由于直流无刷电机的种种优点，在电动摩托车中也得到了广泛应用，因此，本文控制部分主要介绍一种基于STM32F103芯片的新型直流无刷电机调速控制系统，这里主要通过PWM技术来进行电机的调速控制，且运行稳定，安全可靠，成本低，具有深远的意义。 1.总体设计概述 1.1 直流无刷电机及工作原理 直流无刷电机（简称BLDCM），由于利用电子换向取代了传统的机械电刷和换向器，使得其电磁性能可靠，结构简单，易于维护，既保持了直流电机的优点又避免了直流电机因电刷而引起的缺陷，因此，被广泛应用。另外，由于直流无刷电机专用控制芯片价格昂贵，本文介绍了一种基于STM32的新型直流无刷电机控制系统，既可降低直流无刷电机的应用成本，又弥补了专用处理器功能单一的缺点，具有重要的现实意义和发展前景。 工作原理：直流无刷电机是同步电机的一种，其转子为永磁体，而定子则为三个按照星形连接方式连接起来的线圈，根据同步电机的原理，如果电子线圈产生一个旋转的磁场，则永磁体的转子也会随着这个磁场转动因此，驱动直流无刷电机的根本是产生旋转的磁场，而这个旋转的磁场可以通过调整A、B、C三相的电流来实现，其需要的电流如图1所示 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2 总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图1所示。
直流电机转速的PWM控制测速 王鹏辉 姬玉燕
摘要 本设计采用PWM的控制原理来完成对直流电机的正转、反转以及其加速、减速过程的控制，在此过程中是通过单片机的定时器加上中断的方式产生不同时长的高低电压脉冲信号来完成。并通过霍尔传感器对直流电机的转速进行测定，最后将实时测定的转速数值1602液晶屏上。 关键词： PWM控制直流电机霍尔传感器 1602液晶显示屏 L298驱动 一、设计目的： 了解直流电机工作原理，掌握用单片机来控制直流电机系统的硬件设计方法，熟悉直流电机驱动程序的设计与调试，能够熟练应用PWM方法来控制直流电机的正反转和加减速，提高单片机应用系统设计和调试水平。 1.1系统方案提出和论证 转速测量的方案选择,一般要考虑传感器的结构、安装以及测速范围与环境条件等方面的适用性;再就是二次仪表的要求,除了显示以外还有控制、通讯和远传方面的要求。本说明书中给出两种转速测量方案，经过我和伙伴查资料、构思和自己的设计，总体电路我们有两套设计方案，部分重要模块也考虑了其它设计方法，经过分析，从实现难度、熟悉程度、器件用量等方面综合考虑，我们才最终选择了一个方案。下面就看一下我们对两套设计方案的简要说明。 1.2 方案一：霍尔传感器测量方案 霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的？其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。霍尔转速传感器的结构
原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。 传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。 图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图 方案霍尔转速传感器的接线图 缺点：采用霍尔传感器在信号采样的时候，会出现采样不精确，因为它是靠磁性感应才采集脉冲的，使用时间长了会出现磁性变小，影响脉冲的采样精度。 1.3方案二：光电传感器 整个测量系统的组成框图如图3.2所示。从图中可见,转子由一直流调速电机驱
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计 第一章:前言 1.1前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 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，需要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，这是通过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、经济好等特点。 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 1.2本设计任务: 任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数: 功能主要包括： 1)直流电机的正转； 2)直流电机的反转； 3)直流电机的加速； 4)直流电机的减速； 5)直流电机的转速在数码管上显示； 6)直流电机的启动； 7)直流电机的停止； 第二章：总体设计方案 总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
毕业论文 基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 所在学院 专业名称 年级 学生姓名、学号 指导教师姓名、职称 完成日期
摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。 关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机 I
目录 目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.2 开发背景 (1) 1.1.3 选题意义 (2) 1.2 研究方法及调速原理 (2) 1.2.1 直流调速系统实现方式 (4) 1.2.2 控制程序的设计 (5) 2 系统硬件电路的设计 (6) 2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6) 2.2 STC89C51单片机简介 (6) 2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6) 2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (7) 2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (8) 2.2.4 STC89C51引脚功能 (8) 3 PWM信号发生电路设计 (11) 3.1 PWM的基本原理 (11) 3.2 系统的硬件电路设计与分析 (11) 3.3 H桥的驱动电路设计方案 (12) 5 主电路设计 (14) 5.1 单片机最小系统 (14) 5.2 液晶电路 (14) 5.2.1 LCD 1602功能介绍 (15) 5.2.2 LCD 1602性能参数 (16) 5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (18) 5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (19) 5.3 按键电路 (20) 5.4 霍尔元件电路 (21) III
《电子技术》课程设计报告课题：直流电机PWM调速电路 班级电气1107 学号 1101205712学生姓名王海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 淮阴工学院 电子与电气工程学院 2012年05月
直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称 PWM。 改变占空比的方法有 3 种： （1）定宽调频法，这种方法是保持 t1 不变，只改变 t2 ，这样周期 T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持 t1 不变，而改变 t2 ，这样也使周期 T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种方法是使周期 T（或频率）不变，而同时改变 t2 和 t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种方法都改变了周期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为 Vmax，设占空比 D＝ t1 /T ，则电机的平均速度为 Vd，平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线如图 1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。
直流电动机的PWM调压调速原理 直流电动机转速N的表达式为：N=U-IR/Kφ 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 在PWM调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。 （1）定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （2）调频调宽法 这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。 （3）定频调宽法 这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 直流电动机双极性驱动可逆PWM控制系统 双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作为在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 双极性驱动电路有两种，一种称为T型，它由两个开关管组成，采用正负电源，相当于两个不可逆控制系统的组合。但由于T型双极性驱动中的开关管要承受较高的反向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 另一种称为H型。 H型双极性驱动 一、显示接口模块 方案一：液晶显示器也是一种常用的显示器件。它的优点是功耗低，寿命长，本身无老化问题，显示信息量大（可以显示字母和数字），在显示字符上没有限制。但价格高，接口电路较为复杂。其只在一些（袖珍型）设备上作为显示之用。
基于PWM控制的直流电机调速摘要：直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 本文设计了直流电机控制系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构，工作原理，运行特性及其设计方法，主要研究直流电机的控制和测量方法。本设计系统以单片机AT80C52为核心，实现直流电机调速的系统。 关键字：直流电机 PWM 控制 AT80C52 DC motor is a rotary motor that can convert a direct current into a mechanical energy (a DC motor) or a mechanical energy into a direct current (DC generator). It is capable of achieving the conversion of DC electric energy and mechanical energy to each other. When the motor is running, it is a direct current motor, the electric energy can be converted into mechanical energy; the generator is a direct current generator, the mechanical energy can be converted to electric energy. The structure of the DC motor is composed of two parts, the stator and the rotor. Operation of the DC motor are still part of the said stator, stator's main function is produces a magnetic field, is composed of a frame, a main pole, Huan Xiangji, an end cover, a bearing and an electric brush device and composition. Said operation, the rotating part of the rotor, the main role is electromagnetic torque and induction electromotive force generated, the DC motor is the hub of energy conversion, so is often referred to as the armature and is composed of a shaft, the armature core, an armature wining and commutator and fan.
《电子技术》课程设计报告 课题：直流电机PWM调速电路 班级电气工程1101学号1101205304 学生姓名xxx 专业电气信息类 系别电子与电气工程学院 指导老师电子技术课程设计指导小组 xxxxx 电子与电气工程学院 2012年5月 一、设计目的 a)培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 b)学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。 c)进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。 d)培养学生的创新能力。 二、设计任务与要求 1．设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向驱动； 2．设计PWM驱动信号发生电路； 3．设计电机转速显示电路； 4. 设计电机转速调节电路；可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试； 6.撰写设计报告。
三、设计思想及设计原理 1．信号可以采用数字方法给定，也可以采用电位器给定。建议采用数字方法。 2．PWM信号可以采用三角波发生器和比较器产生，也可采用数字电路及可编程器件产生。建议采用数字方法。 3．正反转主回路可以采用双极型器件实现，也可以用MOS器件实现； 4．转速测量电路可以采用增量型光电编码器，也可采用自行制作的光电编码电路、霍尔传感器以及其它近似测速方法。建议采用光电编码器。 5．显用数字方法显示电机转速。采用光电编码等方法的脉冲测速方法时，可采用计数法测量电机转速；电机转速信号为模拟信号时，可采用数字表头显示转速。建议采用数字方法。 6．(提高部分)可以采用反馈控制技术对系统进一步完善。 四、单元电路设计 4.1 LM324组成的PWM直流电机产生电路 4.1.1 它主要由U1（LM324）和Q1组成 图4.1中，由U1a、U1d组成振荡器电路，提供频率约为400Hz的方波/三角形波。U1c产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地。这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1b这里接成比较器的形式，它的反相输入端(6脚)接入电阻R6、R7和VR1，用来提供比较器的参考电压。这个电压与U1d的输出端(14脚)的三角形波电压进行比较。当该波形电压高于U1b的6脚电压．U1b的7脚输出为高电平；反之，当该波形电压低于U1b的6脚电压，U1b的7脚输出为低电平。由此我们可知，改变U1b的6脚电位使其与输入三角形波电压进行比较。就可增加或减小输出方波的宽度，实现脉宽调制(PWM)。电阻R6、R7用于控制VR1的结束点，保证在调节VR1时可以实现输出为全开(全速或全亮)或全关(停转或全灭)，其实际的阻值可能会根据实际电路不同有所改变。 图4.1中，Q1为N沟道场效应管，这里用作功率开关管(电流放大)，来驱动负载部分。前面电路提供的不同宽度的方波信号通过栅极(G)来控制Q1的通断。LED1的亮度变化可以用来指示电路输出的脉冲宽度。C3可以改善电路输出波形和减轻电路的射频干扰(RFI)。D1是用来防止电机的反电动势损坏Q1。 当使用24v的电源电压时，图1电路通过U2将24V转换成12V供控制电路使用。而Q1可以直接在21v电源上，对于Q1来讲这与接在12v电源上没有什么区别。参考图1，改变J1、J2的接法可使电路工作在不同电源电压(12V或24V)下。当通过Q1的电流不超过1A时，Q1可不用散热器。但如果Q1工作时电流超过1A时，需加装散热器。如果需要更大的电流（大于3A），可采用IRFZ34N
§1.1 直流电机调速原理 §1.1.1 直流电机电压调速原理 图1.2为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。由图可见电机的电枢电动势Ea 的正方向与电枢电流Ia 的方向相反，为反电动势；电磁转矩T 的正方向与转速n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n 相反，是制动转矩。 根据基尔霍夫第二定律，对图中的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式： U=Ea-Ia （Ra+Rc ） （1.4） 式1.4中，Ra 为电枢回路电阻，电枢回路串联绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻。 由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce Φ （1.5） 由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce （1.6） 由式子1.6可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V 时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现 错误！未找到引用源。。 说明: U ………………> 电压 Ea ……… >电枢电动势 n …………………>转速 I ………………>电枢电流 r a ……… >电枢回路电阻 Rc ……… >外在电枢电阻 T1，T2………>负载转矩 T0………… > 空载转矩 Φ………………> 磁通量 图1-3 PWM 调速原理 §1.1.2 直流电机PWM 调速原理
所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。 对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图1-3所示。 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、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax?D （1.7）式中，Vd——电机的平均速度 Vmax——电机全通时的速度（最大） D=t1/T——占空比 平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图1.4所示。 图1-4 平均速度和占空比的关系 由图1-4可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），理想情况下，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。 由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。
#include
EN1=1; EN2=1; pro_right=70; pro_left=70; M1=0; M2=1; M3=0; M4=1; } void turnleft() { EN1=1; EN2=1; pro_right=20; pro_left=99; M1=0; M2=1; M3=1; M4=0; } void turnright() { EN1=1; EN2=1; pro_right=99; pro_left=20; M1=1; M2=0; M3=0; M4=1; } void init() { TMOD=0x01; TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; EA=1;
《电子技术》课程设计报告 班级电气1107 学号1101205712学生海彬 专业电气信息类 学院电子与电气工程学院 指导教师电子技术课程设计指导小组 工学院 电子与电气工程学院 2012年05月
直流电机PWM调速电路 一）设计任务与要求： 1.设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向转动； 2.设计PWM驱动信号发生电路； 3.设计电机转速显示电路； 4.设计电机转速调节电路，可以按键或电位器调节电机转速； 5.安装调试。 二）系统原理及功能概述 1）直流电机脉宽调速电路原理 对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为便的。其法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。 改变占空比的法有3 种： （1）定宽调频法，这种法是保持t1 不变，只改变t2 ，这样期T（或频率）也随之改变； （2）调宽调频法，保持t1 不变，而改变t2 ，这样也使期T（或频率）改变； （3）定频调宽法，这种法是使期T（或频率）不变，而同时改变t2 和t1 由，当控制频率与系统的固有频率接近于前两种法都改变了期（或频率）时，将会引起振荡，用的比较少，因此本系统用的是定频调宽法。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加。电机断电时，速度逐渐减小。只要按一定规律，改变通断电时间，即可实现对电机的转速控制。设电机永远接通电源时，其最大转速为Vmax，设占空比D＝t1 /T ，则电机的平均速度为Vd，平均速度Vd 与占空比D 的函数曲线如图1－2 所示，从图可以看出，VD 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线），当系统允时，可以将其近似的看成线性关系（图中虚线），本系统采用近似法。
实验报告
直流电机PWM调速实验 一、实验目的: 1、掌握脉宽调制的方法； 2、用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制 二、实验设备： PC机一台，单片机最小系统，驱动板，直流电机，连接导线等 三、实验原理： 1、PWM(Pulse Width Modulation)简称脉宽调制。即，通 过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。 2、实验线路图： 四、实验内容： 1、利用实验时提供的单片机应用系统及直流电机驱动电路板，编制控 制程序，实现直流电机PWM调速控制。 2、连接实验电路，观察PWM调控速度控制，实现的加速、减速等调速 控制。 五、实验步骤： 1、按系统电路图连线，调试完成； 2、开启单片机，按下键盘启动按钮，电机正常旋转；
3、按动键盘加速、减速、正转、反转、停止按键，分别实现预定功能。 4、实验完成，收拾实验器械，整理。 六、实验程序： #include
课程名称：微机原理课程设计 题目：基于51单片机的PWM直流电机调速
直流电机脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-简称PWM)调速产生于20世纪70 年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等的驱动，后来由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展, PWM 技术得到了高速发展,各式各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也都有了PWM输出功能。而51单片机却没有PWM 输出功能，采用定时器配合软件的方法可以实现51单片机PWM的输出功能。本设计就是由单片机STC89C52RC芯片，直流电机（搭建H桥电路驱动）和1602液晶为核心，辅以必要的电路，构成了一个基于51单片机PWM可调速的直流电机。该可调直流电机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。该可调直流电机布置合理，全部器件分布在7*9cm洞洞板上，看起来小巧精简。采用的是单片机内部定时器产生方波并且两个P口交换输出，可以方便灵活地调速度和方向。该可调直流电机从0到最大速度1200转每分钟一共设置了60个档次的转速，采用1602蓝光液晶，可以直观地显示出来（显示的是每分钟的转速）。有红光和绿光的两个二极管作为转速指示灯。四个控制按键就可以控制电机的转速，方向与暂停。每按一个键，该可调电机就会实现相对应的功能，操作非常简单。 关键词：直流电机，51单片机，C语言，1602液晶
一、设计任务与要求 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 设计要求 (4) 二、方案总体设计 (5) 2.1 方案一 (5) 2.2 方案二 (5) 2.3 系统采用方案 (5) 三、硬件设计 (7) 3.1 单片机最小系统 (7) 3.2 液晶显示模块 (7) 3.3 系统电源 (8) 3.4驱动电路 (8) 3.5 整体电路 (9) 四、软件设计 (10) 4.1 keil软件介绍 (10) 4.2 系统程序流程 (10) 五、仿真与实现 (13) 5.1 proteus软件介绍 (13) 5.2 仿真过程 (13) 5.3 实物制作与调试 (15) 5.4 使用说明 (16) 六、总结 (17) 6.1 设计总结 (17) 6.2 经验总结 (17) 七、参考文献 (19)
直流电机调速的PWM实现方法 PWM在控制中使用非常广泛，可以以数字量对模拟电路进行控制。这里对PWM的原理进行讲述，并举例说明PWM的重要应用。 1、PWM简介 采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 PWM控制的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。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。通俗的说PWM是采用数字量对模拟量进行合成的方法。 数字量是怎么样对模拟量进行合成的呢？请看下例： 用PWM波代替正弦冲半波： 上图中用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这两种波作用于电路时，所产生的效果基本相同。 2、PWM的应用 基于面积相等的原理实际上可以对任意波形进行合成，再如下图： 上图中用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。这两种波作用于电路时，所产生的效果基本相同。 3、PWM的应用 基于面积相等的原理实际上可以对任意波形进行合成，再如下图： ******************************************************************** #define V_TH0 0XFF #define V_TL0 0XF6 #define V_TMOD 0X01 void init_sys(void); /*系统初始化函数*/ void Delay5Ms(void);
基于51单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 I
摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。本文中采用了三极管组成了PWM信号的驱动系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过处理后，将测量值送到液晶显示出来。 关键词：PWM信号，霍尔元件，液晶显示，直流电动机 II
目录 目录 ................................................................................................................................ III 1 引言 (1) 1.1 课题背景 (1) 1.1.2 开发背景 (1) 1.1.3 选题意义 (2) 1.2 研究方法及调速原理 (2) 1.2.1 直流调速系统实现方式 (4) 1.2.2 控制程序的设计 (5) 2 系统硬件电路的设计 (6) 2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 (6) 2.2 STC89C51单片机简介 (6) 2.2.1 STC89C51单片机的组成 (6) 2.2.2 CPU及部分部件的作用和功能 (6) 2.2.3 STC89C51单片机引脚图 (7) 2.2.4 STC89C51引脚功能 (7) 3 PWM信号发生电路设计 (10) 3.1 PWM的基本原理 (10) 3.2 系统的硬件电路设计与分析 (10) 3.3 H桥的驱动电路设计方案 (11) 5 主电路设计 (13) 5.1 单片机最小系统 (13) 5.2 液晶电路 (13) 5.2.1 LCD 1602功能介绍 (14) 5.2.2 LCD 1602性能参数 (15) 5.2.3 LCD 1602与单片机连接 (17) 5.2.4 LCD 1602的显示与控制命令 (18) 5.3 按键电路 (19) 5.4 霍尔元件电路 (20) III
直流电机PWM调速控制系统 摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建
立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]： (1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。
前言 上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。 随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。与此同时，脉冲宽度调制（PWM）技术与开关功率电路成为功率应用中的主流技术；长期以来，直流电机以其良好的线性特性，优异的控制性能、低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最佳选择。因此，基于PWM（Pulse Width Modulation）的直流电机调速技术在现代电气传动系统中被广泛运用。 电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。而驱动电路则是调速电路的重要组成部分，其处在主电路和控制电路之间，将控制电路的信号进行放大。保护电路以及检测电路是对电机速度精确控制的前提，本次课程设计是对直流电机调速驱动电路进行设计，下面是驱动电路设计的具体过程。 一、设计目的： 1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生
课程设计 设计题目：基于51系列单片机的直流电机PWM 调速系统设计 学院：机电工程学院 专业：机械工程及自动化 班级：机自07级01班 姓名：强艳梅 学号： 指导老师：敏 完成时间：2011年1月11日
目录 1 直流电动机调速概述 (4) 1.1直流电机调速原理 (4) 1.2直流调速系统实现方式 (5) 1.3 89C51单片机 (6) 2 硬件电路设计 (6) 2.1 PWM波形的程序实现 (6) 2.2直流电动机驱动 (7) 2.3续流电路设计 (8) 3 软件设计 (8) 3.1主程序设计 (8) 3.2 数码显数设计 (10) 3.3 功能程序设计 (11) 3.4仿真图 (15) 3.5 仿真结果分析 (16) 心得体会 (17) 参考文献 (18)
1 直流电动机调速概述 1.1直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以 —励磁绕组本身的电阻；下公式：n=U/C cφ-TR/C r C cφ其中：U—电压；R 内 φ—每极磁通(Wb)；C c—电势常数；C r—转矩常量。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，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。 图1-1 直流电机的工作原理图 电枢控制是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，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。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“接通”和“断开”时间的长短，即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
直流电机PWM调速系统的设计与仿真 一、引言 1本课题设计的目的和要求 1. 直流电机PWM调速系统的目的： （1）熟悉直流电机PWM调速系统的整体运行过程和总体布局 （2）掌握该硬件电路的设计方法 （3）掌握电机PWM调速系统程序的设计和调试 2. 直流电机PWM调速系统的要求 （1）可输入0~1范围的占空比，占空比可用电位器输入、拨码开关输入或键盘输入。 （2）设计电机驱动电路，根据输入的占空比控制电机转速。 （3）检测电机转速，并用LED或LCD显示。 （4）在PROTUES下仿真。 二、系统总体框图与原理说明 2.1 总体方案原理及设计框图 本设计是基于AT89c51为核心的直流调速器，由单片机控制和产生适合要求的PWM信号，该PWM信号通过驱动芯片电路进行直流调速，使输出电压平均值和功率可以按照PWM信号的占空比而变化，从而达到对直流电机调速的目的。拨码开关输入0~1范围的占空比，用LCD1602作为主液晶显示器，显示输入的占空比控制电机转速，能够实现较好的人机交互。
总体方案设计框图 三、硬件电路图 拨码开关输入模块 AT89c51单片机 LCD1602显示 电机驱动模块 直流电机 示波器显示 用压控振荡器（可用555电路构成）来模拟直流电机的运行
3.1 PWM 产生方式 （1）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 可以应用在很多方面，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的电源，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。正因为如此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。PWM 波形如图所示： PWM 波形图 设电机始终接通电路时，电机转速最大为V max ，设占空比为： T t D 1 = 则电机的平均转速为 D V V a *max = 其中V a 指的是电机的平均速度，V max 是指电机在全通电时最大速度，D 指的是占空比。 由上面的公式可见，当改变占空比D 时，就可以得到不同电机平均速度V a ,从而达到调速的目的。 （2）单片机片内软件生成PWM 信号 PWM 信号采用单片机定时中断的方式软件模拟产生，这样实现比较容易，可以节 约硬件成本。 //===================定时器0初始化设置=================== //===================定时器0初始化设置=================== void Time0_Init() //定时器0初始化函数 { TMOD=0x01; //定时器0为工作方式1 TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; //初始化为定时时间为50ms