直流电机转速控制系统设计分析

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摘要：本设计介绍基于AT89C51单片机的直流电机转速控制系统的设计。主要完成软件设计与仿真设计。对于仿真设计采用Protues7.8仿真软件，软件设计采用keil编程软件。本设计主要由单片机控制单元、LCD1602显示单元、PWM方波实现单元、模拟示波器以及独立按键等模块组成，并在理论研究的基础上，进行仿真测试。仿真显示能够较好地实现直流电机的转速、转向、启停控制。

关键词：AT89C51；直流电机；PWM；LCD1602

引言

最早出现同时具有调速功能的电机是直流电机。直流电机是种类繁多的电机中极为重要的一种。在多年的研究和使用过程中，直流电机在调速控制领域中占有着不可取代的作用和地位，同时给各行各业的发展代来了方便和经济效益。直流电机基于其良好的线性调速功能，和简单易行的控制理论等，在实际的生产和生活中，直流电机仍然是调速电动机的最佳选择[1]。因此，一代又一代人不断地研究和探索直流电机的速度控制策略和方案。最近几年随着计算机科学技术的飞速发展和直流电机控制技术的发展，直流电机得到突飞猛进的发展，进而直流电机进入成熟期，但是科学家们对直流电机转速的研究从来没有停止。同时，单片机的迅速发展，在人们生活和生产中得到迅速普及，大到工业应用的机械臂，小到孩子们的玩具，在生活中更是随处可见。单片机以其构造简单、应用方便、易于操作等优点，在电子领域迅速发展，占据一席之地。单片机具有体积小、成本低、功耗少、重量轻同时具有较好的稳定性和通用性等特点[2]。尤其是AT89系列的单片机，由于其集成度高，处理性强，可靠性好，结构简单，具有极优的性能价格比，使用方便等优点，已在中国广泛应用同时在市场上广泛流行。随着直流电机、单片机以及计算机行业的飞速发展，人们对电子技术、智能化等概念的了解也更加深入，单片机控制直流电机领域也越来越得到大家的重视[3]。通过本设计的研究，我们不仅仅了解直流电机转速控制的应用、发展和相关知识，我们还掌握了单片机的工作原理、电路设计、外围芯片的整合、编程方法、编程技巧、应用行业以及它的实用价值。

1主要研究内容

直流电机与交流电机构相比，生产成本高，维护成本高。但是启动性能良好、速度平稳性较好。直流电机经常适用于需要自由移动，无交流电的场合。如内燃机、高速运行的电梯，矿山起重机等生产设备。本设计采用单片机对直流电机转速进行控制。本设计采用价格实惠、操作方便的AT89C51单片机，我们选择该单片机是由于其不仅能满足现有功能的需求，同时具有较高的性价比[4]，而且该单片机的发展历史悠久，受到广大电子开发者的喜爱。虽然DSP、FPGA等高端芯片，它们的功能远远高于单片机。但是它们价格较高同时发展不是非常成熟，仍然需要有更多研究和探索阶段。综合考虑以上因素，最终选择价格实惠、功能完善、编程简单[5]的单片机作为我们的开发芯片。本设计分为2个部分，Protues仿真以及Keil编程设计。Protues仿真目的是验证电路的可行性和编程的功能完整性，Keil编程目的是验证外围设备的编程可行性和按键等模块的稳定性，仿真中电机控制部分是核心内容，目的在于验证仿真和keil编程是否能应用到实际当中。仿真电路设计以AT89C51为控制核心，外围设备通过5个独立的按键给CPU发送控制指令，同时CPU响应指令对直流电机做出启动、关闭、转向、减速和加速的控制，其中在仿真里面给出直流电机驱动电路的详细设计，直流电机的转速实现是通过两路的PWM技术实现，在此基础上通过Protues软件中的模拟示波器显示当前脉冲的宽度，当前的转速以及其它相关信息则通过LCD1602显示。其中PWM技术、直流电机的驱动电路、LCD1602显示是本设计的难点和重点。

2直流电机转速控制系统

直流电机转速：n=(U-IR)/Kø（1）式中：U表示电枢端电压；I表示电枢电流；R表示电枢电路总电阻；K表示电动机结构；参数ø表示磁通量。在式（1）中，直流电机的转速控制方法可以分为两部分。一部分为对励磁磁通控制的励磁控制法，另一部分为对电枢电压的电枢控制法。本文采用励磁不变时，通过改变电枢电压的大小，以实现直流电机的调速。大部分的直流电机使用开关驱动方式，开关驱动是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电枢两端的电压，实现对电机速度的控制。电动机电枢两端电压平均值：U0=(t1Us+0)/(t1+t2)=t1Us/T=αUs（2）在式（2）中，Us表示电源电压；T表示脉冲周期；t1表示导通时间，α表示占空比，代表导通时间和周期的比值。当Us不变时，改变占空比α来调节电压从而实现对电机速度控制。本文设计的直流电机转速控制系统，主要分为两部分：软件设计以及电路仿真。通过多次调试、测试实现系统的各模块的功能。同时实现LCD1602显示、PWM技术、直流电机的正转反转，按键的开启、急停、减速、加速等功能。基于AT89C51单片机的直流电机转速控制系统框图如图1所示。直流电机转速控制系统主要组成为：CPU、LCD1602液晶显示屏、独立键盘、直流电机、复位电路以及晶体管震荡电路等组成。直流电机转速控制的工作原理：首先、通过五个独立按键给单片机发送指令、CPU接收到指令后，通过定时器产生PWM脉冲，对直流电机进行控制。根据独立按键设定的功能不同，通过定时器对PWM脉冲进行调整。最终实现电机的开启、关闭、方向改变、减速、加速，并且把当前的单位时间内脉冲的个数显示在LCD1602液晶屏上，根据PWM输出的控制方向不同，将PWM信号通过Protues中的模拟示波器显示出当前的脉冲波形。

3直流电机的调速功能仿真

直流电机转速控制系统的控制器是单片机，本文采用ATMEL公司的AT89C51，采用keil进行软件编程，Protues7.8进行仿真电路设计。软件编程方面主要包括，独立键盘的编程实现、LCD1602显示驱动程序的设计、PWM占空比技术的设计、直流电机的控制，同时采用定时器进行PWM占空比的产生。程序的逻辑顺序，在main文件里面是从上到下无限循环运行，当遇到中断或者按键变化时，保存断点，响应顺序有一个优先级，先调用中断，然后调用按键，当中断和按键执行过后继续返回断点继续执行。当所有的编程调试通过编译之后生成hex文件，手动通过Protues7.8软件将hex文件添加到AT89C51里面。在仿真软件里面进行调试仿真。主程序作为入口程序端，起始阶段，对LCD1602初始化、中断初始化。完成前期的工作后，通过扫描独立按键，如果按下启动按钮，此处单片机内容T0定时器开始计时，同时产生PWM占空比，此时PWM1为低电平PWM2为高电平，控制直流电机的正转。只要按下停止按键，直流电机的运动立刻停止。在这个过程当中，如果按下转向按键，则开启直流电机正向功能，如果按下加速按钮，通过开启的T0定时器增加PWM占空比进而直流电机的转速增加，如果减速按钮，通过开启的T0定时器减小PWM占空比进而直流电机的转速减小.。如果再次按下转速按钮，则开启直流电机的反向功能，如果按下加速按钮，通过开启的T0定时器增加PWM占空比进而直流电机的转速增加，如果按下减速按钮，通过开启的T0定时器减小PWM占空比进而直流电机的转速减小。实验过程中，首先按下开启按钮，直流电机开始工作。如果需要实现电机的速度增加操作，可以按下加速按钮，每按一次直流电机的速度增加一次，但是它的速度增加有一个极限值，不能无限增加。当按下减速按钮时，直流电机的速度减小，直到减小到0为止。在任何一个过程当中都可以按停止按钮实现直流电机的急停。同时可以调节转向按键进行电机方向的控制，当电机不工作时可以按下启动按键进行电机的开启控制。

4直流电机调速后并显示功能仿真

通过上面的速度调整，同时为了用户更好地观察当前的运动情况，采用LCD1602，实现对当前的电机速度的显示，非常直观清晰地展示出来。实验通过观察速度的稳定性来判定控制效果。如果数字一直很稳定，在没有调整的情况下数字一直不变，或者发声轻微的改动，则实验的电路设计部分很好，进而让整个电机的控制部分表现出非常稳定的趋势，说明电机的工作很稳定。如果试验中LCD1602上面现实的数字一直不停地发生大的数字变动，进而得出电机工作不稳定，需要进一步进行调整。

5结论

本文采用AT89C51单片机作为整个控制系统的控制核心，通过5个独立的键盘作为控制指令输入给CPU同时单片机响应控制指令，在仿真系统中实现对电机各项控制，包括加/减速，以及方向控制，开启与关闭控制，直流电机的转速是通过改变两路的PWM来改变占空比实现，直流电机的转向通过H桥上三极管的导通特性来实现。在此基础上通过Protues7.8软件中的模拟示波器显示当前脉冲的宽度，最后用采用LCD1602显示当前的转速和其它信息。设计仿真结果显示控制效果较好。

参考文献

[1]陈隆昌,阎治安,刘正新.控制电机[M].西安:西安电子科技大学出版社,2013.

[2]朱贵国,汪党.基于STM32单片机的直流电机调速系统设计[M].北京:机械工业出版社,2013.

[3]李美艳.基于单片机的直流电机调速系统的设计[J].电子设计工程,2016,24(22):158-160.

[4]何少佳,史剑清,王海坤.基于AT89S51单片机的直流电机控制系统设计[J].装备制造技术,2013,(8):21-23.

[5]王云慧,陈阳,谢东军.基于单片机的直流电机电压调速器的设计与实现[J].信息系统工程,2016,(4):45-45.

作者：赵娟萍 王会珍 周喜 姚新海 单位：郑州职业技术学院