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直流电动机PWM调速系统设计

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1 1 绪论

1.1 课题研究背景

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。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

1.2 直流电机调速发展现况

现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转换和信号转换的电磁装置，经过了一个多世纪的发展，其应用范围已经遍及现代社会和国民经济的各个领域及环节。例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源以及有些移动运输机械，在缺少交流电源时其所需要的直流电源仍然使用直流发电机作为供电电源。

同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但是调速困难、容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围；而异步电机则结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸取滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、起重设备等。这也是直流电机能够在工业领域占有一席之地的原因。

而采用PWM调速系统控制电机，则具有很多的优越性，比如：开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。低速性能很好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。如果可以与快速响应的电动机配合，则系统

2 频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。

1.3 本文主要研究内容

深入研究直流电机的调速性能，通过对直流传动装置的分析与论证，结合生产实际需求，设计一个带有直流传动装置的直流电机PWM调速系统。

本设计将从电机的应用及调速技术的发展入手，在分析电机的基本特性及PWM调速原理的基础上，采用单片机控制方式，控制电机的运行，结合传感器得到反馈数据，重点是设计出一套直流电动机PWM调速系统并对直流调速系统的其他调速方式进行分析和探讨。

该系统将单片机和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程度满足需要，具有运行稳定、操作简单和满足调速范围等特点。该系统对电机参数进行预置，通过传感器对负载转速的反馈构成闭环控制系统。

1.4 本章小结

本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

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，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。

3 2 系统硬件电路的设计

2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计

2.1.1 系统总体设计框图

如图2-1所示：

图2-1 系统总体设计框图

2.1.2 8051单片机简介

（1）8051单片机的基本组成

8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如图2-2所示：

图2-2 8051单片机的基本组成

8051

单片机 PWM信号的产生与放大 直流电机

测速

发电机 滤波

电路 A/D

转换

4 （2）CPU及8个部件的作用功能介绍

中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。

内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。

特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地址为80H—FFH。

内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。

并行I/O口：8051芯片内部有4个8位的I/O口（P0，P1，P2，P3），以实现数据的并行输入输出。

串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。

定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。

中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。

振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051单片机产生时钟脉冲序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。

（3）8051单片机引脚图

如图2-3所示：

图2-3 8051单片机引脚图

5 2.1.3 单片机系统中所用其他芯片简介

（1）地址锁存器74LS373

74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如图2-4所示：

图2-4 地址锁存器74LS373结构图

当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制端____OE为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。其引脚如图2-5所示：

图2-5 74LS373引脚图

6 （2）程序存储器27128

其芯片引脚如图2-6所示：

图2-6 程序存储器27128芯片引脚

其功能表如表2-1所示：

表2-1 程序存储器27128功能表

引脚功能 ____CE（片选） ____OE

（允许输出） VPP _______PGM

（编程控制） 输出

读 L L VCC H 数据输出

维持 H * VCC * 高阻

编程 L H VPP L 数据输入

编程校验 L L VPP H 数据输出

编程禁止 H * VPP * 高阻

7 （3）数据存储器6264

其芯片引脚如图2-7所示：

图2-7 数据存储器6264芯片引脚

其芯片功能表如表2-2所示：

表2-2 数据存储器6264芯片功能表

引脚功能 ____1CE 2CE OE WE I/O0—I/O7

未选中 H * * * 高阻

未选中 * L * * 高阻

输出禁止 L H H H 高阻

读 L H L H 数据输出

写 L H H L 数据输入

写 L H L L 数据输入

8 2.1.4 8051单片机扩展电路及分析

（1）8051单片机拓展电路图

如图2-8所示：

图2-8 8051单片机拓展电路

（2）接线分析

P0.7---P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。

P2.7---P2.0：这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选

9 中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。

P3.7---P3.0：这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同，如表2-3所示：

表2-3 P3.7-P3.0 I/O表

P3口的位 第二功能 注释

P3.0 RXD 串行数据接收口

P3.1 TXD 串行数据发送口

P3.2 ______0INT 外中断0输入

P3.3 ______1INT 外中断1输入

P3.4 T0 计数器0计数输入

P3.5 T1 计数器1计数输入

P3.6 _____WR 外部RAM写选通信号

P3.7 ____RD 外部RAM读选通信号

VCC为+5V电源线，VSS为接地线。

ALE/_________PROG：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/_________PROG线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/_________PROG线上输出频率为1/6 fOSC的脉冲序列。该脉冲序列可以用作外部时钟源或者作为定时脉冲源使用。

____EA / VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。如果____EA=1，那么允许使用片内ROM；如果____EA=0，那么允许使用片外ROM。

________PSEN：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在________PSEN线上产生一个负脉冲，用于片外ROM芯片的选通。其他情况下，________PSEN线均为高电平封锁状态。

RST/VPD：复位备用电源线，可以使8051处于复位工作状态。

XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微

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PWM直流调速系统设计解析

PWM直流调速系统设计解析

河南城建学院运动控制系统系统课程设计

目录

前言…………………………………………………………………… 1

一、 设计目的…………………………………………………………2

二、 设计要求…………………………………………………………2

三、 直流调速系统整体设计…………………………………………2

四、 系统参数选取……………………………………………………7

五、 各部分设计………………………………………………………8

六、 双闭环系统设计…………………………………………………14

七、 系统仿真…………………………………………………………17

八、 设计总结…………………………………………………………18

参考文献 ………………………………………………………………19

河南城建学院运动控制系统系统课程设计

1

前言

由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。

基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计

基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计

基于AVR单片机的直流电动机PWM闭环调速系统的设计郑宪伟,赵玉林,陈广大(东北农业大学工程学院,哈尔滨150030)摘要:介绍了以AVR单片机作为核心控制芯片,采用PWM控制方式,应用PID控制算法,通过直流电动机驱动芯片LTM18200和光电编码器实现的速度反馈闭环控制系统,给出了硬件电路和相应的软件设计。关键词:AVR单片机;PWM;直流电动机;PID中图分类号:TP368.1;TM33　文献标志码:A　文章编号:100320794(2008)0120120203DesignofDCElectromotorClosed-loopTimingSystemControlledbyPWMandBasedonAVRMicrocontrollerZHENGXian-wei,ZHAOYu-lin,CHENGunag-da(EngineeringCollege,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)Abstract:Introducesasystemofspeedfeedbackcontrolledbyclosed-loop,inwhichAVRMicrocontrollerisusedasthecorecontrolchipandthemodecontrolledbyPWM.ThealgorithmcontrolledbyPID,theDCelec2tromotordrivechip(LTM18200)andthephotoelectricencoderareadopted.Thedesignofcircuitofhardwareandcorrespondingsoftwareisalsogiven.Keywords:AVRmicrocontroller;PWM;DCmoter;PID1　硬件原理1.1　系统工作原理AVR单片机ATmega8采用先进的RISC结构,具有高速度、低功耗、片内资源丰富、电源抗干扰能力整和安全,为安全管理人员对数据的收集、统计、分析工作提供准确完整的资料,确保下一步数据分析处理工作顺利开展。(2)解决了对一线安全巡检人员管理监督的难题目前对巡检人员的管理监督都是沿用传统的“人管人”的模式,实际操作中易受到人为因素的影响,巡检工作中不可避免地会出现监管的空白和漏洞,存在巡检员空班、漏检现象。管理人员在系统管理界面上可以检查巡检人的工作记录和巡检工作的完成情况,对巡检中的超时、空班、漏检现象一目了然。如此以来由原来的人监督人模式转化为计算机监督的先进模式,解决了对一线安全检查人员实施有效监督管理的难题,提高了安全管理水平,杜绝了人为因素在安全工作中造成的隐患。(3)真正实现了“一通三防”记录的自动化管理安全智能巡检系统具备强大的数据处理功能,系统可以对采集的瓦斯、煤尘、通风等大量检测数据自动进行记录、整合、处理,形成符合矿山安全工作要求的通风瓦斯台帐报表。由于以上步骤都是由系统自动完成,不需要人工录入计算,这样避免了人为的错误,真正做到数据录入,数据计算、分析的自动化,为安全管理部门的决策提供了可靠的依据。所有数据可自动形成数据库永久保存,以备随时查询。(4)可实现网络查询功能系统提供数据网络接口,可以利用Internet或局域网将巡检数据和分析报表等传送到有关部门,实现安检信息与其他各种安全管理系统的整合和信息共享,实现远程查询。企业领导和安全管理者可以在办公室随时查阅矿井安全生产信息,不必亲临一线,提高了办公效率,真正做到安全信息心中有数,为安全工作开展提供了极大便利。4　结语本系统采用非接触式射频卡,无线通讯,布设简单,安全

PWM直流电机调速系统设计

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高性能PWM直流调速系统的设计与应用

1 单片机为核心，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。

本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。

第2章 直流调速系统概述

调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气方法调速。 高性能PWM直流调速系统的设计与应用

2 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、 维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形 式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，我们先着重讨论直流调速系统。

2.1直流电机的工作原理

直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。

PWM直流电动机调速控制系统

PWM直流电动机调速控制系统

淮南师范学院电气信息工程学院2012届电子信息科学与技术单片机课程设计报告

课程设计报告

题 目： PWM直流电动机调速控制系统

学生姓名： 丁传朋

学生学号：

1214040205

系 别： 电气信息工程学院

专 业： 电子信息科学与技术专业

届 别： 2016届

指导教师： 朱士永

电气信息工程学院制

2014年6月 淮南师范学院电气信息工程学院2012届电子信息科学与技术单片机课程设计报告

1 PWM直流电动机调速控制系统

学生：丁传朋

指导老师：朱士永

电气信息工程学院电子信息科学与技术

摘 要

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，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。

本文设计的直流电机调速系统，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；H桥驱动电路；LED显示器；51单片机