吴陈晨--PWM脉宽调制的直流电机控制设计 -讲解.doc

摘要 介绍一种单片机（如89C51型）在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。直流电动机转速控制系统采用了元器件测量电动机的转速，用此种单片机对直流电动机的转速进行了控制，用实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且，从控制的角度来看，直流调速还是交流拖的动系统的基础，早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，由运算放大器、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，使许多控制动能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。　　单片机 直流电机 转速控制 PWM 1前言 1 2方案设计 2 2.1 设计要求 2 2.2 工程方案 2 3电路设计 3 3.1 直流电机结构 3 3.2 直流电机的工作原理 3 3.3 直流电机PMW调速原理 4 3.4 电机驱动模块的电路设计 5 4程序设计 7 4.1 程序流程设计 7 4.2 程序详细设计 8 5系统仿真 9 5.1 仿真步骤 9 5.2总体电路模块 9 6 总结与体会 10 参考文献资料 11 附录 12 1前言 随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。 2.2工程方案 直流电机PWM控制系统的主要功能包括、该系统由以下电路模块组成：80C51单片机和一些电容、晶振组成。 设计输入部分：这一模块主要是利用来实现。控制80C51单片机的外部中断扩展电路组成。 设计显示部分：LED数码显示部分。1602LCD液晶显示模块LED数码显示部分由七段数码显示管组成。 直流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成，如图2.1所示。 3 电路设计 3.1 直流电机结构 直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图3.1所示。 图3.1 直流电动机结构 3.2 直流电机的工作原理 直流电机电路模型如图3.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中电流时，线圈受到电磁力，根据左手定则当线圈中电流圈圈3.3表示，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，Ea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。 图3.3 直流电机的数学模型 根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1： U=Ea-Ia（Ra+Rc）1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保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/CeΦ …………………………………………式1.2 式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。 由1.1式和1.2式得 n =Ea/CeΦ ……………………………………………式1.3 由式1.3中可以看出，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，它的转速由回在电枢两端的电压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。 3.3.2 PWM电机调速原理 对于直流电机T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 图3.4 施加在电枢两端的脉动电压 设