单片机控制直流调速系统设计与仿真
学校代码：11517
学号：
HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 毕业设计
题目单片机控制直流调速系统设计与
仿真
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单片机控制直流调速系统设计与仿真
完成时间2013 年06 月10日
单片机控制直流调速系统设计与仿真
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单片机控制直流调速系统设计与仿真
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单片机控制直流调速系统设计与仿真
河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目单片机控制直流调速系统设计与仿真
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一、主要内容：
要求以单片机为核心，采用PWM技术对电动机进行转速控制。通过调整PWM 信号的占空比，控制直流电动机的电枢电压而达到调节转速的目的。要求实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，并用LED显示电机转速。完成相应的硬件电路设计及软件设计，编写源程序代码，利用PROTEUS软件进行仿真和调试。
二、基本要求：
（1）对直流调速控制电路进行设计来实现对速度的控制、检测、显示；
（2）画出步进电机控制系统的硬件电路设计图和模块程序流程图；
（3）编写源程序代码利用PROTEUS软件进行仿真和调试。
三、主要参考文献：
[1] 翁嘉民.单片机应用开发技术[M].北京:中国电力出版社,2009:12-36
[2] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009:45-56
[3] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2007:33-36
[4] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009:10-13
[5] 孙明迪.直流双极式可逆PWM调速系统设计[M].北京:高等教育出版社,2008:99-123
完成期限：
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专业负责人签名：
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目录
摘要 ........................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................... II 1 绪论 (1)
1.1 选题背景及意义 (1)
1.2 单片机控制系统的发展 (2)
1.3 直流电机调速原理 (3)
1.4 系统方案确定 (5)
2 PWM脉宽调制 (6)
2.1 PWM调速原理 (6)
2.2 PWM调速方法 (6)
2.3 PWM实现方式 (7)
3 硬件设计 (8)
3.1 单片机选型 (8)
3.1.1 单片机AT89S52的基本组成 (8)
3.1.2 单片机AT89S52的引脚说明 (8)
3.2 驱动电路 (9)
3.2.1 L298内部的原理图 (10)
3.2.2 L298的引脚说明 (12)
3.2.3 L298功能表 (12)
3.3键盘设计 (13)
3.3.1键盘的功能及分类 (13)
3.3.2独立式键盘 (14)
3.4 数码管设计 (14)
3.4.1 LED简
介 (1)
4
3.4.2 LED七段数码管的结构 (14)
3.4.3 LED数码管和单片机的连接 (16)
3.5 光电编码器 (18)
4 软件设计 (189)
4.1主程序 (19)
4.2 定时器中断程序 (19)
4.3 LED数码管显示 (20)
4.4 独立式键盘控制 (21)
5 设计仿真 (23)
5.1 设计接线图 (23)
5.1.1 按键连接图 (23)
5.1.2 L298与单片机、电机连接图 (23)
5.1.3 LED与单片机连接图 (24)
5.2 系统仿真图 (24)
5.2.1 电机正转........................................................................... . (25)
5.2.2 电机反转 (26)
5.2.2 电机停止运转 (27)
结束语 (28)
致谢 (29)
参考文献 ···········································································错误！未定义书签。
单片机控制直流调速系统设计与仿真
附录 (31)
单片机控制直流调速系统设计与仿真
摘要
随着现代社会的发展，电机在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，而控制电机的转速愈发的凸显其重要性。PWM控制方法因其相比传统调速方法的优越性，成为了调速的新方式。本文主要研究了基于单片机AT89S52进行小型直流电机PWM调速系统的设计，并用Proteus进行仿真。文中介绍了直流电机控制方法的发展，脉宽调制的原理，AT89S52的详细参数，LED数码管的显示方法，L298驱动电路的使用，利用程序的方法如何输出PWM信号进行占空比调节等。AT89S52单片机与L298驱动模块的使用，能够降低系统成本，简化系统构成，易于PC连接进行系统升级，能够满足更多场合的使用要求。本设计将实现电机的正转、反转、换向、停止等的控制，并在LED数码管上实时显示占空比和转速。
关键词AT89S52/L298/PWM/占空比
The Design Of Direct Current Motor Speed
Regulation System Based On SCM
ABSTRACT
With the development of modern society, the motor in people's daily life plays an increasingly important role to control the motor speed, the more highlight its importance. PWM control method because of its superiority compared to traditional speed control method, has become the new way of the governor. This paper studies the design of PWM DC motor speed control system based on MCU AT89S52, and Proteus simulation. This paper describes the development of the DC motor control method, the pulse width modulation principle, AT89S52 of parameters, LED digital tube display method the L298 driver circuit use, the use of the program how to output PWM signal duty cycle adjustment. AT89S52 micro controller and the L298 driver module for use, can reduce system costs, simplify the system structure, easy PC connection for system upgrades to meet the requirements of more occasions. This design will achieve the motor forward, reverse, commutation, stop control, and real.time display LED digital tube duty cycle and the speed.
KEY WORDS AT89S52,L298,PWM,DUTY CYCLE
1 绪论
1.1 选题背景及意义
直流调速系统最初的时候，通过保持直流电源电压向的恒定，向直流机电枢供电，在电枢回路中的串入电阻，改变电阻阻值来实现调速。虽然这种方法简便易行，价格便宜，设备制造容易，但缺点是机械特性软，效率低，没有较宽范围内平滑调速的能力，所以目前基本不采用[1]。
上世纪三十年代末，发明了发电机.电动机调速系统，由电机扩大机、磁放大器、闸流管等控制器件组成，可得到较宽的调速范围，优良的调速性能，较小的转速变化率，能实现调速平滑。由于电动机轴上存在飞轮惯量，当电动机减速时，可以通过发电机将剩下的电能反馈回电网[2]。因此即可减少能量的损耗，提高效率，又能得到平滑的制动特性。但是发电机.电动机调速系统的主要缺点是，需要增加与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
随后汞弧变流器的出现，使调速性能指标得到了进一步提高，由此代替上述发电机.电动机调速系统系统。相比发电机.电动机系统，汞弧变流器调速系统的快速响应性得到极大的提升。但是汞弧变流器需要用到水银蒸汽，维修时会对维护人员会造成一定的危害等，因此，限制了它的应用。
世界上第一只晶闸管在1957年问世，晶闸管从设计到用料，决定其具有许多独特的优越性，相比其它变流元件，具有响应快、体积小、工作可靠等优点[4]。以晶闸管为主设计的调速系统，不仅在经济指标上使直流调速系统得到提高，而且在可靠性和技术指标上也显示出比汞弧变流器调速系统很大的优越性。
20世纪80年代中后期，由于晶闸管整流装置得到成熟发展，促进直流电气传动完成了一次大的跃进，随即取代了水银整流装置及直流发电机.电动机组。同一时期，控制电路也得到快速发展，实现了电路小型化、可靠性高及高度集成化。至此，直流调速系统应用范围越来越大，性能指标越来越高，直流调速技术不断发展，都是得益于晶闸管整流技术的应用[5]。
直流电动机具有良好的特性，比如起动、制动性能好，能在大范围内平滑调速，因此在许多电力拖动领域，直流电动机的调速性能好及快速正反向的能力得到了广泛的应用。而电动机的控制方法也随着计算机的发展，新型电力电子器件的不断更新以及微电子技术的进步，如采用计算机，微处理器，DSP控制器等，由模拟系统变为数
字控制系统，使电动机控制更为现代，得到了根本上的变化。其中，在经历了几次的更新换代以后，全控型功率器件得到广泛应用，电力电子器件MOSFET和IGBT的开关速度更快，控制更简便，更加适合作为电动机的驱动部分的功率器件。在交流调速系统和直流调速系统中，以全控型功率器件为基础的脉宽调制变频技术，得到了广泛应用。
通过改变电枢回路电阻调速，弱磁调速等技术对于现在的直流电机，已远远不能满足要求，更加复杂的生产过程对电机调速性能要求更高，这时单片机技术的加入，通过PWM方式控制直流电机调速，因为具有高可靠性，高度智能，符合现代生产的需求，因此成为以后调速技术的发展趋势。
直流电机已经深入人们的生活，在方方面面都有涉及，因此，研究本设计具有十分重要的意义。在家庭方面，电风扇，刮胡刀，洗衣机，空调；工业方面，汽车，机器人，起重机，切割机；军事方面，火箭，高射炮，雷达，卫星；办公方面，电脑，打印机，投影仪，电话；等等方面，都需要直流电机的参与。最近一段时间以来，虽然高性能交流调速系统发展有了长足的进步，并且有了要取代直流调速系统的趋势，但是直流调速系统不仅在理论上成熟，而且在实践上发展出了各种各样的变化，十分适应现在的发展需求，目前应用范围还十分广泛。
1.2 单片机控制系统的发展
世界计算机发展史以单片机的诞生为一个新的里程碑。作为单芯片嵌入式系统的核心，单片机具有多功能，高速，多选择，低价格，低功耗，强大的I / O功能和大存储容量，可以提高整个系统的可行性和可靠性。新世纪以来，技术实力得到了长足的发展和进步，市场不满足现有产品的功能，对性能的要求不断提高，尤其是系统智能化、自动化。为了能够适应对产品越来越高的要求，直流电动机调速系统以其优越的起动和调速性能等特点，得到越来越广泛的应用，特别是智能机器人的青睐[6]。
早期的直流驱动控制系统使用模拟的分离装置，其特点在于，含有模拟器件其固有的缺点，如温度漂移，零点漂移电压，降低了直流驱动器的可靠性和准确性。科学技术的进步，直流驱动已由微处理器实现全数字化控制。由微处理器控制，输出为数字信号，其控制精度，稳定性和可靠性，模拟直流调速系统是不能比拟的。实现全数字控制，抗干扰能力强，控制装置灵活，成为直流调速的一个新的方向。
微处理器诞生于上个世纪七十年代，以大规模和超大规模集成电路制造工艺制造
集成电路，降低微处理器的成本，使其得到了越来越高的快速发展。此外，由于电力电子技术的发展，提升的生产工艺，快速的提高了高功率电子器件的性能。用微处理器来控制电机，可完成各种创新的，高性能的控制策略，电机的潜力得到充分的发挥。使用微处理器控制的电机使电机的发展发生新变化，电机制造商基于此开发出了多种容易控制的实用新型电机[8]。
对于简单的微处理器控制电机，只需使用微处理器控制继电器，电子开关零件，电机控制就可以实现。通过可编程控制器与微处理器结合，各种机床和生产线都可以通过电机控制实现各种普遍应用。对于复杂的微处理器控制电动机，将不得不使用微处理器控制电机的电流，电压，转速，转矩，旋转角度，使得电动机按照给定的指示准确工作。由于微处理器控制，大大改善了电机的性能。机械换向的直流电动机和交流电动机他们有自己的优势，例如直流电机的转速性能，但拥有机械磨损和换向火花等问题，而交流电机，比直流电动机中的感应电动机或同步电动机的结构简单，可靠性比直流电动机好，但运行时必须恒定电源频率，他们的速度不能方便的经济调控。高性能微处理器，新的控制理论和控制策略的出现，如数字信号处理器DSP，使电机驱动的自动化程度大大提高。在国家的先进数控机床和数控位置伺服系统，采用如DSP高速微处理器，可以拥有超过数百千兆位每秒的执行速度。
1.3 直流电机调速原理
图1-1直流电机的物理模型图
图1-1所示为两极直流电机模型。它的定子上，是一对静止的主磁极N和S，起到直流励磁的作用。中间为转子，含有电枢铁心，转子与定子不接触，有一定气隙相隔。在转子电枢铁心外部放置两根电枢线圈，并用导体连接，线圈与称为换向片的铜片分别首端和末端相连。换向器由构成换向片的整体组成，固定在转轴上，换向片之
间，换向片与转轴之间都互相绝缘。一对固定不动的电刷放在换向片上，当电枢线圈在电枢旋转时通过换向片和电刷的摩擦与外电路接通。
图1-2直流电机的基本工作原理图
图1-2所示为直流电机工作原理图。如图（a ）所示，给两个电刷加上直流电源，从电刷 A 处则有直流电流流入，通过线圈abcd ，从 B 处电刷 流出，根据楞次定律，线圈断ab 和cd 将受到电磁力的作用，两段导体受到的力方向相反，形成一个转矩，使转子转动。到图（b ）所示的位置时，电刷 A 和电刷 B 分别与换向片2和换向片1接触，从电刷 A 流入直流电流，经过线圈dcba ，从B 处流出。此时线圈段ab 和cd 受到与之前方向相同的电磁力产生的转矩，仍将保持转子逆时针转动。由于电刷和换向片之间的这种互相作用，即使外加的电源是直流的，但电流在线圈两边产生的转矩的方向却是相同的，构成了直流电动机工作的原理[9]。
式1-1为计算直流电机稳态转速的表达式:
Φ
-=
K IR U n (1-1) 式中，U-电枢电压（V ）
I-电枢电流（A ） R-电枢电路总电阻（Ω）
Φ-励磁磁通（Wb ）
K-由电动机决定的电动势常数
通过表达式可看出，电压、电阻、磁通是三个变量，因此，控制直流电机转速的原理有三种:
(1)调节电枢电压U
(2)减弱励磁磁通Φ
(3)改变电枢电阻R
电机磁通不能增大，只能减小，调节磁通的方法称为弱磁调速，这种方法虽然能够平滑调速，但调速范围不大，可以与调压调速配合，做小范围的弱磁升速；改变电枢电阻的方法只能有级调速，而且电阻消耗电能，效率低下，已经基本不用[10]。所以在自动调速系统中以调压调速为最好，本设计将采用这种方法。
1.4 系统方案确定
本设计的直流电机调速系统，分为硬件和软件两大部分。硬件为软件提供程序运行的平台，是整个系统的基础；软件部分为控制部分，为对电机进行有效控制，要采集、分析、处理硬件发出的信号，最终实现程序设定的各项功能。
图1-3为此次调速系统设计方框图。本设计主要由AT89S52单片机，键盘，LED 数码管，L298驱动模块，直流电动机等组成。
本设计输入部分，主要是利用独立按键来实现对电机的加速、减速、换向、停止的控制。
显示部分，由LED 数码管完成，可以将电机电枢电压的占空比实时显示。
控制部分，主要是由L298驱动电路和电机组成的单片机外部中断扩展电路。
图1-3 直流电机PWM 调速系统设计方框图
本设计基于AT89S52单片机，其组成为输入模块、显示模块及电机控制模块。通过编写单片机程序，利用单片机定时中断，定时器定时，生成PWM 波，控制L298直流电机驱动芯片，并用独立式键盘来控制定时器定时，完成对PWM 占空比命令的输入，并在数码管显示。这样就可以控制电动机，实现电机正、反转和加速、减速、急停控制，并测量电机转速，同时单片机不停的将PWM 波占空比送到LED 数码管显示,且实时显示转速。
直 流 LED 显示PWM 占空键盘控制 PWM AT89S52 单片机 L298驱动电转速
2 PWM 脉宽调制
2.1 PWM 调速原理
脉冲宽度调制，简称脉宽调制，英文简写为PWM [11]。PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM 控制技术在晶闸管时代就已经产生，但是为了使晶闸管导通要付出很大的代价，因而难以得到广泛应用。以IGBT 、电力MOSFET 等为代表的全控型器件的不断完善，给PWM 控制技术提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展，使他应用到整流、逆变、直.直、交.交的所有四大类变流电路中。
在采样控制理论中有一个重要的结论：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。以该结论为理论基础,PWM 控制技术就是对半导体开关器件进行控制，让其规律的导通和关断,产生一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，来代替其他波形的控制技术。占空比在PWM 里是一个重要的参数，决定了PWM 的波形形状。
式2-1为占空比计算公式：
如图2-1所示，T 为周期，t1表示开关管导通的时间，t2为开关管闭合的时间。
图2-1 PWM 信号的占空比
由式2-1可知，开关管导通的时间t1与周期T 在一个周期里的比值就是占空比D ，大小为0≤D≤1。当保持电源电压V 不变，电枢端电压的平均值为D max V =V *D 。通过单片机改变占空比D ，达到改变电枢端的平均电压，控制电机，这就是PWM 调速的基本原理。
2.2 PWM 调速方法
1)-(2 1T
t D
以PWM调速原理来说，PWM调速就是占空比调速，占空比的控制在调速中决定着电机的控制。改变占空比通常有三种方法[12]：
（1）定宽调频法
（2）调宽调频法
（3）定频调宽法
前2种方法由于在调速时会引起振荡，因为这两种调速方法相当于改变了频率，容易与系统的固有频率接近，基于此种情况，它们的应用较少。所以，本设计使用第3种方法，定频调宽法。即利用单片机生成一个固定的频率，来控制电机驱动电路的接通或断开，并通过改变占空比D，改变直流电机电枢上平均电压的大小，从而形成对电动机的控制。
2.3 PWM实现方式
主流的PWM实现方法是使用定时器定时产生PWM波的方式，其输出的脉冲波形极其精确，误差可忽略不计；另一种为硬件延时方式，但是输出的波形没有定时器精度高，在执行中断后，由于硬件的原因，将产生一定的误差。综合考虑，本设计将采用利用单片机外部中断和定时器定时方式实现PWM。
3 硬件设计
3.1 单片机选型
3.1.1 单片机AT89S52的基本组成
本设计选用的单片机为AT89S52，主要有以下几个部分组成。
（1）一个8位微处理器CPU。
（2）数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。
（3）内部程序存储器ROM。
（4）两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。
（5）四个8位可编程的I/O并行端口，每个端口即可做输入，也可做输出。
（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。
（7）中断控制系统。
（8）内部时钟电路。
3.1.2 单片机AT89S52的引脚说明
图3-1 单片机引脚图
图3-1为单片机引脚图。
VCC：芯片正极输入，接+5V。
GND：电源地端。
XTAL1、XTAL2：接外部晶振的引脚。当单片机采用外部时钟信号时，引脚接地。RES：当输入的复位信号持续2个机器周期以上高电平，单片机复位。
ALE：地址锁存控制端。
！PSEN：外部程序内存的读选通信号端。
！EA/VPP：访问程序存储器控制信号。
P0~P3：四个I/O口，每口8线，共计32根I/O口线。
P0是一个8位宽的双向输出入端口。P0在当做I/O用时可以推动8个TTL负载。当EA引脚为低电平时，P0作为数据总线（D0～D7）及地址总线（A0～A7）的低8位。
P1是通用准双向静态I/O端口，输出的信息有锁存，其可以推动4个TTL负载，若将端口1来输入数据，必须向锁存器写1，才可以做输入用。
P2除了当做一般I/O端口使用外，当系统扩展偏外程序存储器时，P2端口就用来周期性的输出从外存中取指令的高8位字节（A8～A15）。
P3是准双向I/O端口，可以推动4个TTL负载，同时还有特殊的第二功能，包括串行通信、外部中断、定时器计数和外部数据存储器的读写。
其存储器在物理结构上有四个存储空间：片内数据存储器、片外存储器、片内程序存储器和片外程序存储器。其中，片内数据存储器用8位地址，S52系列有256字节的数据存储器；片外为64KB的数据存储器，用16位地址；程序存储器片内和片外统一进行编址，共64KB。
3.2 驱动电路
本设计采用L298作为电机的驱动模块。L298为单块集成电路，内部包含4通道逻辑驱动电路，具有高电流，高电压的承载能力，外围15管脚[13]。L298接收TTL 逻辑电平，驱动感性负载时，可直接对电机进行控制，无须隔离电路，并且可以同时驱动双电机。图3-2为L298驱动双电机应用连接图。
图3-2 L298典型应用连接图
3.2.1 L298内部的原理图
L298 内部含有两个H 桥驱动电路。如图3-3所示，OUT1与OUT2之间，由4个IGBT 管组成H 桥驱动电路。H 桥驱动电路，属于可逆PWM 变换器，加于直流电动机两端，电压U 12的极性随电力电子器件的开关状态而改变。
图3-3 L298内部电路
如图3-4所示为H 桥式电机驱动电路。根据三极管的排列方式，只要角线上的一对三极管同时导通，电机就可以运转。电流在Q1、Q4之间流动与在Q2、Q3之间流动，电机的转向方向相反，达到控制电机运行方向的目的。
IN1IN2ENA OUT1OUT2OUT3OUT4
IN3IN4ENB
6V 动力电源
东北石油大学 MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、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。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
直流电机转速控制公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
直流电机转速控制 课程设计 姓名： 学号： 班级：
目录 1．直流电机转速控制方案设计 (2) 设计要求 (2) 设计框图 (2) 2．直流电机转速控制硬件设计 (3) 主要器件功能 (3) 硬件原理图 (6) 3．直流电机转速控制软件设计 (7) 4．调试 (8) 硬件测试 (8) 软件调试……………………………………………………………(11
1．直流电机转速控制方案设计 设计要求 通过设计了解如何运用电子技术来实现直流电机转速控制，完成直流电机转向和转速的控制，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。 1、用按键1控制旋转方向，实现正转和反转。 2、电机的设定转速与电机的实际转速在数码管上显示。 3、旋转速度可实时改变。 设计框图 本课题中测量控制电路组成框图如下所示：
图1 2．直流电机转速控制硬件设计 主要器件功能 1、L298N 是专用驱动集成电路，属于H 桥集成电路，与L293D 的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。此外可能通过使能端的高低电平的变换,从而使电机通断,来控制电机的转速。 图2 板上的EN1 与EN2 为高电平时有效，这里的电平指的是TTL 电平。EN1 为IN1 和IN2 的使能端，EN2为IN3 和IN4 的使能端。POWER 接直流电源，注意正负，电源正端为VCC，电源地为GND。 2、ZLG7290的核心是一块ZLG7290B芯片，它采用I2C接口，能直接驱动8位共阴式数码管，同时可扫描管理多达64只按键，实现人机对话的功能资源十分丰富。除具有自动消除抖动功能外，它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、功
综合设计报告 单位：自动化学院 学生姓名： 专业：测控技术与仪器 班级：0820801 学号： 指导老师： 成绩： 设计时间：2011 年12 月 重庆邮电大学自动化学院制
一、题目 直流电机调速与控制系统设计。 二、技术要求 设计直流电机调速与控制系统，要求如下： 1、学习直流电机调速与控制的基本原理； 2、了解直流电机速度脉冲检测原理； 3、利用51单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路； 4、使用C语言编写控制程序，通过实时串口能够完成和上位机的通信； 5、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图。 6、要求电机能实现正反转控制； 7、系统具有实时显示电机速度功能； 8、电机的设定速度由电位器输入； 9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。 三、给定条件 1、《直流电机驱动原理》，《单片机原理及接口技术》等参考资料； 2、电阻、电容等各种分离元件、IC、直流电机、电源等； 3、STC12C5A60S2单片机、LM298以及PC机； 四、设计 1. 确定总体方案； 2. 画出系统结构图； 3. 选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路，设计硬件电路； 4. 设计串口及通信程序，完成和上位机的通信； 5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告；
直流电机调速与控制 摘要：当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范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、PID控制等，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。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 本电机控制系统基于51内核的单片机设计，采用LM298直流电机驱动器，利用PWM 脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机I/O口定时采样，最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制，其中电机的设定速度由电位器经A/D通过输入，系统的状显示与控制由上位机实现。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。关键字：直流电机、反馈控制、51内核、PWM脉宽调制、LM298 一、系统原理及功能概述 1、系统设计原理 本电机控制系统采用基于51内核的单片机设计，主要用于电机的测速与转速控制，硬件方面设计有可调电源模块，串口电路模块、电机测速模块、速度脉冲信号调理电路模块、直流电机驱动模块等电路；软件方面采用基于C语言的编程语言，能实现系统与上位机的通信，并实时显示电机的转速和控制电机的运行状态，如开启、停止、正反转等。 单片机选用了51升级系列的STC12c5a60s2作为主控制器，该芯片完全兼容之前较低版本的所有51指令，同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路10位AD转换器、一个SPI接口等，
东北大学秦皇岛分校控制工程学院自动控制系统课程设计 设计题目：直流电动机开环调速系统 设计与仿真 专业名称自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 设计时间2015.7.13~2014.7.24 成绩
目录 1.设计任务书 (3) 2.概述 (4) 2.1前言 (4) 2.2 系统原理 (4) 2.3 simulink框图 (5) 3.元件参数设置 (7) 3.1三相交流电压源设置 (7) 3.2.同步六脉冲触发器 (7) 3.3.三相全控桥整流电路 (8) 3.4.直流电动机设计 (8) 4.仿真结果分析 (9) α=时 (12) 4.2 当30o α=时 (14) 4.3 当60o α=时 (17) 4.4 当90o 4.5励磁电流 (19) 5.结论 (20) 6.参考文献 (22) 7.结束语 (22)
东北大学秦皇岛分校控制工程学院 《自动控制系统》课程设计任务书 专业自动化班级姓名 设计题目：直流电动机开环调速系统设计与仿真 一、设计实验条件 地点：实验室 实验设备：PC机 二、设计任务 直流电动机的额定数据为220V，136A，1460r/min，4极， R=0.21 ， a 22 GD=22.5N m；励磁电压为220V，励磁电流为1.5A。采用三相桥式全控整流电路。平波电抗器 L=200mH。 p 设计要求：设计并仿真该晶闸管-电动机（V-M）开环调速系统。观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。 三、设计说明书的内容 1、设计题目与设计任务（设计任务书） 2、前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3、主体设计部分 4、参考文献 5、结束语 四、设计时间与设计时间安排 1、设计时间：7月13日～7月24日 2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料：3天（7月13日～7月15日) 具体设计（含上机实验）：6天（7月16日～7月21日) 编写课程设计说明书：2天（7月22日～7月23日) 答辩：1天（7月24日）
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。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。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
毕业设计论文PWM控制直流电机调速 绪论 脉宽调制(PWM)控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲序列，并控制电压脉冲的宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。PWM控制技术广泛地应用于开关稳压电源，不间断电源(UPS)，以及交直流电动机传动等领。本文阐述了PWM变频调速系统的基本原理和特点，并在此基础上给出了一种基于Mitel SA866DE三相PWM波形发生器和绝缘栅双极功率晶体管(IGBT)的变频调速设计方案。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。 直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以，在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高;直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 正因为直流PWM调速系统有以上的优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高,直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。传统的模拟和数字电路PWM已被大规模集成电路所取代,这就使得数字调制技术成为可能。目前,在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片, 如TI公司生产的TMS320C24X系列芯片。电动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之一。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。
成绩 电气控制与PLC 课程设计说明书 直流电机调速控制系统设计 . Translate DC motor speed Control system design 学生姓名王杰 学号20130503213 信电工程学院13自动 学院班级 化 专业名称电气工程及其自动化 指导教师肖理庆
201 6年 6 月 14 日
目录 1 直流电机调速控制系统模型 0 1.1 直流调速系统的主导调速方法 0 因此，降压调速是直流电机调速系统的主导调速方法。 0 1.2 直流电机调速控制的传递函数 0 1.2.1 电流与电压的传递函数 (1) 1.2.2 电动势与电流的传递函数 (1) 由已学可知，单轴系统的运用方程为: (1) 1.3 直流调速系统的控制方法选择 (3) 1.3.1 开环直流调速系统 (3) 1.3.2 单闭环直流调速系统 (3) 由前述分析可知，开环系统不能满足较高的调速指标要求，因此必须采取闭环控制系统。图1-4所示的是，转速反馈单闭环调速系统，其是一种结构相对复杂的反馈控制系统。转速控制是动态性能的控制，相比开环系统，速度闭环控制的控制精度及控制稳定性要好得多，但缺乏对于静态电流I的有效控制，故这类系统被称之为“有静差”调速系统。 (4) 1.3.3 双闭环直流调速系统 (4) 图1-4 双闭环控制直流调速控制系统 (4) 1.3.3.1 转速调节器（ASR） (4) 1.3.3.1 电流调节器（ACR） (4) 1.4 直流电机的可逆运行 (5) 1.2 ×××××× (7) 1.2.1 电流与电压的传递函数 (7) (8) 3 PLC在直流调速系统中的应用 (8) 2 ××××× (9) 2.1 ×××××× (9) 2.1.1 ×××× (9) 3 ××××× (11) 3.1 ×××××× (11) 3.1.1 ×××× (11) 参考文献 (12) 附录 (13) 附录1 (13)
直流调速系统的MATLAB 仿真 一、开环直流速系统的仿真 开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。 图1 开环直流调速系统电气原理图 图2 直流开环调速系统的仿真模型 为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为 min c cmax 9090U U αα?-=?-
在本模型中取min 30α=?，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。 仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =， N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =?。励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。平波电抗器 d 20mH L =。仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩 e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。N 220V U = 仿真步骤： 1）绘制系统的仿真模型（图2）。 2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压 N rec N 2min 2200.3136 130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++?= =≈?? ② 电动机参数 励磁电阻： f f f 220146.7()1.5 U R I = ==Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。 电枢电阻： a 0.2R =Ω 电枢电感由下式估算： N a N N 0.422019.1 19.10.0021(H)2221460136 CU L pn I ?==?≈??? 电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ： N a N e N 2200.2136 0.132(V min/r)1460 U R I K n --?= =≈?
电力拖动课程设计 题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统 姓名：强 学号：U201311856 班级：电气1303 指导老师：徐伟 课程评分：
日期：2016-07-10 目录 一、设计目标与技术参数 二、设计基本原理 （一）调速系统的总体设计 （二）桥式可逆PWM变换器的工作原理（三）双闭环调速系统的静特性分析（四）双闭环调速系统的稳态框图 （五）双闭环调速系统的硬件电路 （六）泵升电压限制 （七）主电路参数计算和元件选择 （八）调节器参数计算
三、仿真 （一）仿真原理（含建模及参数） （二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性） 四、结论 参考文献 附录1：调速系统总图 附录2：调速系统仿真图 一、设计目标与技术参数 直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下： 额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min； 电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s； 电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01 V*min/r； 允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；
电流超调量：σi≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R0=4KΩ； 晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。 PWM变换器的放大系数：K S=20。 二、设计基本原理 （一）调速系统的总体设计 在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。如图2-1所示。 图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形 用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 直流双闭环调速系统的结构图如图2-2所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。 直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区
计算机控制技术课程设计 专业：自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 兰州交通大学自动化与电气工程学院 2016年07月15日
直流电机调速系统设计 1设计目的 本课程设计是在修完《计算机控制技术A》课程之后，为加强对学生系统设计和应用能力的培养而开设的综合设计训练环节。本课程设计结合《计算机控制技术A》课程的基础理论，重点强调实际应用技能训练，包括计算机控制系统算法软件和硬件设计。其课程设计任务是使学生通过应用计算机控制技术的基本理论，基本知识与基本技能，掌握计算控制技术中各主要环节的设计、调试方法，初步掌握并具备应用计算机进行设备技术改造和产品开发的能力，培养学生的创新意识，提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。 2 设计方法 设计一个直流电机系统，合理选择PID控制规律，掌握被控对象参数检测方法、H桥驱动的功能、旋转编码器的功能、单片机PWM控制波形输出方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高解决实际工程问题的能力。直流电机调速系统是以电机转速作为变量，单片机根据采集电机转速的测量值与设定值的偏差去控制PWM波形的脉宽，从而改变直流电机两端的电压，达到控制转速的目的。直流电机调速系统由单片机、直流电机、光电式旋转编码器、H桥驱动、LCD显示屏等及相关电路组成。 3 设计方案及原理 3.1系统功能介绍 整个控制系统由控制器、执行器、被控对象和测量变送组成，在本次控制系统中控制器为单片机，采用算法为PID增量算法控制规律，执行器为H桥驱动电路，测量变送器为光电式旋转编码器，被控对象为直流电机。然后通过单片机对数据进行处理，控制转速的大小和正反转。 3.2系统组成总体结构 计算机控制系统由控制计算机系统和生产过程两大部分组成。控制计算机是指按生产过程控制的特点和要求而设计的计算机系统，它可以根据系统的规模和要求选择或设计不同种类的计算机。计算机控制系统基本结构如图1所示。
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
. 直流电机转速控制 课程设计
姓名： 学号： 班级： 目录 1．直流电机转速控制方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2设计框图 (2) 2．直流电机转速控制硬件设计 (3) 2.1主要器件功能 (3) 2.2硬件原理图 (6)
3．直流电机转速控制软件设计 (7) 4．调试 (8) 4.1硬件测试 (8) 4.2软件调试……………………………………………………………(11 1．直流电机转速控制方案设计 1.1设计要求 通过设计了解如何运用电子技术来实现直流电机转速控制，完成直流电机转向和转速的控制，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。
1、用按键1控制旋转方向，实现正转和反转。 2、电机的设定转速与电机的实际转速在数码管上显示。 3、旋转速度可实时改变。 1.2设计框图 本课题中测量控制电路组成框图如下所示： 图1
2．直流电机转速控制硬件设计 2.1主要器件功能 1、L298N 是专用驱动集成电路，属于H 桥集成电路，与L293D 的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。此外可能通过使能端的高低电平的变换,从而使电机通断,来控制电机的转速。 图2 板上的EN1 与EN2 为高电平时有效，这里的电平指的是TTL 电平。EN1 为IN1 和IN2 的使能端，EN2为IN3 和IN4 的使能端。POWER 接直流电源，注意正负，电
课程设计说明书 直流电机调速电路的设计 系、部： 学生姓名： 指导教师： 专业： 班级： 完成时间： 摘要
将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学或称为电力电子技术，他是一门综合了电子技术，控制技术和电力技术的新兴交叉学科。直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。直流电动机是人类最早发明和应用的有一种电机。直流电动机是将直流电转换为的旋转机械。他与交流电动机相比，虽然直流电动机因为结构复杂，维护困难，价格比较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电动机广泛。但由于直流电动机有优良的启动，调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。 关键词电力电子技术；直流电动机；机械能 ABSTRACT
Will the electronic technology and control technology into the traditional power technology, using semiconductor switching parts of all kinds of power transformation of electric power circuit implementation transformation and control, constitute a complete discipline, be door to the international electrotechnical commission named power electronics or called power electronic technology, he is a comprehensive electronic technology, control technology and the emerging interdisciplinary power technology. Dc motor is one of the main types of the motor. A dc motor as a generator can use, also can use as a motor, used as dc generators can get dc power, and as a dc motor, since it has good performance of speed adjustment, in many speed performa, is still widely used. Dc motor is the earliest human invention and application of a kind of motor. Current motor is converted to dc of rotating machine. He compared with ac motor, although dc motor for the complex structure, maintenance difficulties, price is more expensive shortcomings constrains its development, the application as ac motor widely. But because of dc motor with fine start, speed and braking performance, so in industry still has a place. Key words power electronic technology; dc motor; mechanical energy 目录
目录 1、引言 (3) 二、初始条件： (3) 三、设计要求： (3) 四、设计基本思路 (4) 五、系统原理框图 (4) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (4) 七、参数计算 (5) 1. 有关参数的计算 (5) 2. 电流环的设计 (6) 3. 转速环的设计 (7) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (9) 1.系统主电路图 (9) 2.触发电路 (10) 3.控制电路 (14) 4. 转速调节器ASR设计 (14) 5. 电流调节器ACR设计 (15) 6. 限幅电路的设计 (15) 八、系统仿真 (16) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (16) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (17) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (18) 九、总结 (21)
一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学 《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题 的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 二、初始条件： 1．技术数据 （1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N =1500r/min， 电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5； （2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标 （1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速围（D≥10），系统在工作围能稳定工作； （2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）； （3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求： （1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图； （2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 （3）动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳 定，并满足动态性能指标的要求； （4）绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控
设计任务书 一．题目： 4kw 以下直流电动机不可逆调速系统设计 二．基本参数： 三．设计性能要求： 调速范围D=10静差率s < 10%制动迅速平稳 四．设计任务： 五．参考资料： 1. 设计合适的控制方案。 2. 画出电路原理图，最好用计算机画图（号图纸） 3. 计算各主要元件的参数，并正确选择元器件。 4. 写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。 5. 列出元件明细表附在说明书的后面。 直流电动机：额定功率 Pn=1.1kW 额定电压 Un=110V 额定电流 In=13A 转速 Nn=1500r/min 电枢电阻 Ra=1Q 极数 2p=2 励磁电压 Uex=110V 电流 Iex=0.8A
电动机作为一种有利工具，在日常生活中得到了广泛的应用。而直流电动机具有很好的启动，制动性能，所以在一些可控电力拖动场所大部分都米用直流电动机。 而在直流电动机中，带电压截止负反馈直流调速系统应用也最为广泛, 其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制。 他通常采用三相全桥整流电路对电机进行供电，从而控制电动机的转速, 传统的控制系统采用模拟元件，比如：晶闸管、各种线性运算电路的等。 虽在一定程度上满足了生产要求，但是元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂，通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特征也随着变化，所以系统的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。直流调速系统是由功率晶闸管、移相控制电路、转速电路、双闭环调速系统电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路。通常指人为的或自动的改变电动机的转速，以满足工作机械的要求。机械特性上通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的机械特性和工作特性的机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化 由于本人和能力有限，错误或不当之处再所难免，期望批评和指正
基于STM32的直流电机调速控制器的设计 摘要：介绍了一款主要由STM32微处理器，IR2110驱动芯片，光电编码器等构成的直流电机PWM调速控制器。详细介绍了直流电机调速原理、光电编码器的工作原理。 并根据整体方案设计，设计了逻辑信号处理电路、IR2110 驱动电路以及主程序，PWM输出子程序等硬软件设计。本设计主要可以应用在小型电动船或车上，具有较高的使用 价值。 关键词：直流电机；光电编码器；PWM；IR2110驱动 A PWM speed controller of DC motor based on STM32 LI Zhi-hong QIAN Chen-liang the School of Automation，Wuhan University of Technology Wuhan HuBei China 430070 Abstract：A PWM speed controller of DC motor based on STM32 is introduced in this paper. The main components of the controller are STM32，IR2110 driver IC，photoelectric encoder and so on. This paper elaborated on the governor principle of DC motor and working principle of photoelectric encoder. According to
the entire project plan，the hardware and software design，including signal processing logic circuit， IR2110 driver circuit，main program and PWM subroutine were designed. This controller mainly applied on small electric boat or car，which owns higher use value. Keywords：DC motor；photoelectric encoder；PWM；IR2110 driver 1 前言 随着电力电子技术的发展，直流电机靠其优良的控制 性能和线性特性等诸多特点在工业控制、航海、汽车工程 和精密家电等诸多领域内被广泛应用。[1]经过多年的研发，如今的直流电机调速技术也已经达到了一个新的高度在精 准性、可控性和抗干扰性能的优良性上得到了很大的提高。 [2] 如今，数字式直流调速系统已经逐渐变成了主流，本 文以STM32作为主控芯片，IR2110为驱动芯片设计了一款直流电机控制器，可以通过调节光电编码器的旋转方向和 角度来控制直流电机的转速和转向。该控制器可以应用于 小型电动船或车上，具有较高使用价值。 2具体原理和方法 2.1直流电机调速原理