直流电机控制系统摘要：本文利用MCS-51系列单片机产生PWM信号，采用了自己设计的电机驱动电路，实现对直流电机的转速和控制方向的控制，并着重对电机驱动电路的设计进行叙述。

主要模块包括单片机控制模块、电机驱动模块、电机接口模块、电源模块、键盘控制模块。

关键词：PWM信号，直流电机，电机驱动，单片机引言随着科学技术的迅猛发展,电气设备发展日新月异.尤其以计算机,信息技术为代表的高新技术的发展,使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化,传统的电气设备设计,制造技术不断吸收信息控制,材料,能量及管理等领域的现代成果,综合应用于产品设计,制造,检测,生产管理和售后服务.在生产技术和生产模式等方面,许多新的思想和概念不断涌现,而且,不同科学之间相互渗透,交叉融合,迅速改变着传统电气设备制造业的面貌,从而使得产品频繁的更新换代,这就使得电机成为社会生产和生活中必不可少的工具.随着科学技术的不断发展,人类社会的不断进步,人们对生活产品的需求要不断趋向多样化,这就要求生产设备必须具有良好的动态性能,在不同的时候进行不同的操作,完成不同的任务.为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计.特别是大型的钢铁行业和材料生产行业,为达到很高的控制精度,速度的稳定性,调速范围等国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求,将直流电机制造成不同型号的系列.所谓系列就是指结构形状基本相似,而容量按一定比例递增的一系列电机.它们的电压,转速,机座型号和铁心长度都是一定的等级.现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。

Z2系列为普通用途的中,小型电机.它的容量从400W到200KW,电动机的额定电压有200V和110V两种,额定转速有3000,1500,1000,750及600r/min五个等级.Z2系列普通用途的中型直流电动机,容量从40KW到370KW.ZJD系列为大型直流电动机,容量从150KW到6500KW,主要用于驱动大型轧钢机及卷扬机。

要求,又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题,调速范围不大,控制精度低,快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求,所以当时大量使用的是直流电动机调速系统,尤其是直流无级调速系统,它具有调速性能好,范围宽,动态性能好等优点,特别是设计简单方便,虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展,制造工艺技术的提高,大量出现交流调速的传动系统,但直流传动所具有的优点特征,至今仍大量广泛地使用直流调速.因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。

1直流电动机调速的概述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下公式：n=U/Cφ-TR内/C r C cφ（公式1-1）c其中：U—电压；—励磁绕组本身的电阻；R内φ—每极磁通(Wb)；—电势常数；Cc—转矩常量。

Cr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。

直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1所示：图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内“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“开关驱动装置”。

图2电枢电压占空比和平均电压的关系图V，占根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为maxV=V*D，可见只要改变占空比为D=1t/T，则电机的平均速度为：D max空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。

[1]1.2直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压U不变的情况d下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值：A、定宽调频法：保持t不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之1改变。

（图1-2）B、调宽调频法：保持t不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随1之改变。

（图1-2）C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t和t。

（图1-2）1前两种方法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，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。

[2]1.3控制程序设计控制程序设计有两种方法：软件延时法和计数法。

软件延时法的基本思路是：首先求出占空比D=t(1)/T，再根据周期T分别给电机通电M个单位时间t(0)，所以M=t(0)/t(1)。

然后，再断电S个单位时间，所以S=t(2)/t(0)。

改变M和S的值，从而也就改变了占空比D。

计数法的基本思路是：当单位延时个数M求出之后，将其作为给定值存放在某个存储单元中。

在通电过程中，对通电单位时间的次数进行计数，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。

软件采用定时中断进行设计。

如图所示当单片机上电后，系统进入准备状态。

当按动按钮后执行相应的程序，根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。

根据加、减速按钮，调整P1.1输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。

[2]2.硬件电路设计2.1AT89C51单片机（1）AT89C51单片机的基本组成AT89C51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。

（2）AT89C51单片机引脚图及功能介绍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AT89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O 口使用，P0.7---P0.0R S T /V R X D T X D X T X T N E /P R O G P P用于传送CPU的I/O数据。

第二种情况是AT89C51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，如下表所示：P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD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P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1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读选通信号表1AT89C51芯片引脚P3口第二功能及说明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，AT89C51CPU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，AT89C51自动在ALE/_________PROG线的脉冲序列。

该脉冲序列可以用作外部时钟源上输出频率为1/6fOSC或者作为定时脉冲源使用。

____EA/V PP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制AT89C51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，AT89C51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AT89C51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调电容，即用来连接AT89C51片内OSC的定时反馈电路。

石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便于AT89C51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，电容C1、的目的。

[3]C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC2.2PWM波形的程序实现随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为11.05926MHz。

我们可以使用定时计数器TO,T1作定时器，通过中断定时的方式。

产生PWN的方波信号。

2.3直流电动机的驱动本驱动根据电机控制技术中所讲的H桥为基础，在H桥基础电路上进行改进，使用multisim电子仿真软件进行电路反正设计得到电机驱动电路模块，如下图3图3电机驱动电路下面对设计的驱动模块进行分析：此改进的驱动电路，解决了普通H桥驱动电路共态导通[4](H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）。

前方的运放器，用作比较器。

把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。

（1）输入与电平转换部分：XMM1为PWM信号输入口。

高速运放TL084（也可以用KF347）的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。