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基于89C51单片机的直流电机控制系统设计

目录摘要 (3)关键词: (3)1直流电动机 (3)1.1直流电动机的工作原理 (3)1.1.1直流电动机的运动特性与优点 (4)1.2直流串励电动机 (5)1.2.1串励电动机的特点 (5)1.3直流他励电动机 (5)1.3.1他励电动机的特点 (6)2设计概要 (6)2.1硬件设计概要 (7)2.2程序设计流程图 (7)3硬件设计 (8)3.1.1电机驱动电路 (8)3.1.2单片机及控制电路 (10)3.1.3单片机介绍 (12)3.1.3.3管脚说明 (14)4程序设计 (16)4.1主程序设计 (19)4.1.1定义说明程序 (19)4.1.2执行主程序 (20)4.2子程序设计 (22)4.2.1定义延时程序函数 (22)4.2.2定时器1中断服务程序 (22)4.2.3定时器2中断服务程序 (23)4.3调速原理 (23)4.3.1PWM(脉冲宽度调制)原理 (23)4.3.2PWM(脉冲宽度调制)特点 (24)5调试与仿真 (25)参考文献 (25)附录 (26)摘要通过单片机改变输出脉冲波的宽度井陉调节,以便实现直流电的起动、正反转、加速、减速功能,在这种调速方法下,可以有效的减少其损耗功率。

关键词:单片机;直流电机;调速1直流电动机直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。

定子由主磁极、换向极、电刷装置和机座组成。

主磁极铁芯上套有线圈,通入直流励磁电流便会产生磁场,即主磁场。

换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成,其作用是产生附加磁场。

以减弱换向片与电刷之间的火花,避免烧蚀。

机座除作电动机的机械支架外,还作为各磁极间磁的通路。

转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。

转子铁芯用来安装转子绕组,并作为电动机磁路的一部分。

转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流,以产生电磁转矩。

换向器由换向片组成,换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。

1.1直流电动机的工作原理直流电动机包括俩个在空间固定的永久磁铁,一个为N极,另一个为S极。

在磁极的中间,装有一个可以转动的线圈,它的首末两端分别接到两片圆弧形的换向片(铜片)上,两个换向片之间、换向片与转轴(与线圈一起旋转)之间均相互绝缘,为了把电枢绕组和外电路接通,在换向器上安置了两个固定不动的电刷。

由于电刷和电源固定连接,因此无论线圈怎样转动,总是上半边的电流向里,下半边的电流向外。

由左手定则可知,通电线圈在磁场中受到逆时针方向的力矩作用。

虽然电流方向是交替变化的,但所受的电磁力的方向不改变,因此线圈可以连续地按逆时针方向旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

1.1.1直流电动机的运动特性与优点(1)运动特性直流电动机的运动特性包括工作特性和机械特性。

工作特性是指电动机在额定电压、额定励磁电流不变的情况下,其转速、转距和输出功率之间的关系。

机械特性是指在额定电压和电磁绕组不变的情况下,转距与转速的关系。

两类电动机的特性曲线见图1和图2。

图1直流串励电动机特性曲线图2直流他励电动机特性曲线(2)优点直流电机五大优点包括:1.减速电机结合国际技术要求制造,具有很高的科技含量。

2.节省空间,可靠耐用,承受过载能力高,功率可达95KW以上。

3.能耗低,性能优越,减速机效率高达95%以上。

4.振动小,噪音低,节能高,选用优质段钢材料,钢性铸铁箱体,齿轮表面经过高频热处理。

5.经过精密加工,确保定位精度,这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置了各类电机,形成了机电一体化,完全保证了产品使用质量特征。

1.2直流串励电动机直流串励电动机具有较好的软机械特性在电动车上得到了广泛的应用,其调速方式是通过改变励磁绕组电流的大小来控制电动机的转速。

换向则是通过换向接触器改变励磁绕组电流的方向从而达到电动机翻转的目的。

加速器给控制器一个调速信号,然后由控制器来控制励磁电流的大小。

1.2.1串励电动机的特点●电枢线圈与励磁线圈串联●电枢电流与励磁电流相同●在换向结构中需安装换向接触器,依靠控制器外围接线,改变励磁电流方向完成换向。

●无再生制动,释放加速器,一般只能滑行,无平滑制动;只能反接制动,能量通过电机发热消耗,对电机损伤较大●转矩和速度曲线固定,无调节空间,控制器必须与电机相匹配,无法根据需要选择速度和转矩。

1.3直流他励电动机直流他励电动机的调速方式一般采用改变电动机电枢的供电电压来控制电动机的转速。

换向则可以由控制器直接控制电动机的正反转。

1.3.1他励电动机的特点●励磁线圈与电枢线圈各自独立,便于换向,励磁电流小于电枢电流,优越的制动性能。

●无需换向接触器,降低系统成本;减少活动部件;依靠控制器内部“MOSFET s”改变励磁电流方向完成换向;●再生制动:释放加速器,自发平滑制动;降低电机发热,延长使用寿命;无需再生制动接触器,降低成本,减少活动部件。

●在选择转矩和速度曲线之间有更大的空间,控制器必须与电机相匹,满足爬坡所需的速度和转矩。

2设计概要本次课程设计主要研究通过单片机来控制电机的启动、停止、加速和减速。

单片机直流电机调速简介:单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。

本设计以89C51单片机为核心,通过单片机控制,C语言编程实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析:本直流电机调速系统以单片机系统为依托,根据PWM调速的基本原理,以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为依据,实现对直流电动机的平滑调速,并通过单片机控制速度的变化。

本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提,是整个系统执行的基础,它主要为软件提供程序运行的平台。

而软件部分,是对硬件端口所体现的信号,加以采集、分析、处理,最终实现控制器所要实现的各项功能,达到控制器自动对电机速度的有效控制。

2.1硬件设计概要本设计的硬件设计由两部分组成,分别是驱动电路部分和控制电路部分。

驱动电路采用H 桥驱动电路改进而成,控制电路以89C51为核心。

电路图见图3。

元件清单见附录。

图3硬件设计电路仿真图2.2程序设计流程图程序设计流程图见图4图4程序流程图3硬件设计3.1.1电机驱动电路电机驱动电路由H桥驱动电路改进而成。

见图5。

图5电机驱动电路3.1.1.1H桥驱动电路原理电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠,见图6。

H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。

要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。

图6H桥驱动电路要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。

例如,4.5所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。

按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。

当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动。

见图7。

图7桥电路驱动电机顺时针转动图4.6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。

当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。

见图8。

图8桥电路驱动电机逆时针转动3.1.1.2H桥驱动电路电路改进增加两组三极管可以稳定电路,并减少电路的复杂性。

使用两个与门控制电机的正反转输入。

每个与门输入端接PWM端和正/反转的高电平输入。

可以达到稳定控制的目的。

3.1.2单片机及控制电路单片机控制电路见图9。

图9单片机控制电路图在整个控制电路中,有下面三部分组成。

3.1.2.1时钟电路时钟电路用来提供单片机的时钟频率。

见图10。

图10时钟电路图3.1.2.2复位电路复位电路用来给单片机复位,见图11。

图11复位电路图3.1.2.3控制信号输入电路用来输入控制电机的控制信号,见图12。

图12控制电路图由上至下依次为加速键、减速键、正反转控制键。

3.1.3单片机介绍单片机(M icrocontroller U nit)是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。

图4.1中表示单片机的典型结构图。

由于单片机的高度集成化,缩短了系统内的信号传送距离,优化了结构配置,大大地提高了系统的可靠性及运行速度,同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求,所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。

见图13。

图13单片机结构图3.1.3.1单片机的应用系统单片机在进行实时控制和实时数据处理时,需要与外界交换信息。

人们需要通过人机对话,了解系统的工作情况和进行控制。

单片机芯片与其它CPU比较,功能虽然要强得多,但由于芯片结构、引脚数目的限制,片内ROM、RAM、I/O口等不能很多,在构成实际的应用系统时需要加以扩展,以适应不同的工作情况。

单片机应用系统的构成基本见图14所示。

图14单片机的应用系统单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况,可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。

对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片;对与片内没有ROM/EPROM芯片来说,其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外,还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。

3.1.3.2AT89C51简介AT89C51的主要参数如表1所示:型号存储器定时器I/0串行口中断速度(MH)其它特点EPROM ROM RAM89C514K1282321624低电压表1AT89C51的主要参数AT89C51含EPROM电可编闪速存储器。

有两级或三级程序存储器保密系统,防止EPROM 中的程序被非法复制。

不用紫外线擦除,提高了编程效率。

程序存储器EPROM容量可达20K 字节。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—F alsh P rogrammableand E rasable R ead O nly M emory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其引脚见图15所示。

图15单片机的引脚排列3.1.3.3管脚说明VCC:供电电压GND:接地。

P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。

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