【基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)設計與實現(xiàn)12000字（論文）】

基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)設計與實現(xiàn)目錄第1章緒論 11.1課題的研究目的和意義 11.2直流電機調速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 21.2.1國內研究現(xiàn)狀 31.2.2國外研究現(xiàn)狀 41.3本文主要研究內容 5第2章直流電機調速系統(tǒng)設計及其原理 62.1直流電機的結構 62.2直流電動機的工作原理 72.3PWM直流電機調速原理 82.4系統(tǒng)整體設計思路 9第3章硬件電路設計 113.1基于單片機控制電路設計 113.2電機驅動電路設計 143.3調速系統(tǒng)供電電源電路設計 163.4測試模塊電路設計 163.5PWM信號發(fā)生電路設計 17第4章系統(tǒng)軟件設計 194.1系統(tǒng)程序設計 194.1.1主程序設計 194.1.2PWM信號發(fā)生程序設計 204.1.3延時程序設計 214.2系統(tǒng)調試 224.2.1軟件調試 224.2.2測速軟件設計 23第5章系統(tǒng)仿真調試 245.1仿真調試軟件選取 245.1.1編程軟件選取 245.1.2硬件電路仿真軟件選取 255.2系統(tǒng)仿真調試結果 25結論 28參考文獻 29第1章緒論1.1課題的研究目的和意義隨著工業(yè)發(fā)展的進步，直流電機由于能提供多數(shù)電力設備電能被應用于社會生活中的很多領域中，如交通、工廠、航天等諸多領域中。而直流電機的作用就是產生電能，它主要是由定子與轉子所構成，其中定子代表的就是在機器運行時器件處于靜止狀態(tài)的部分，其主要的作用就是產生磁場；轉子指的就是運行器件中負責運動的部件，主要負責電磁轉矩的產生。而直流電機調速系統(tǒng)是通過認為操作來改變電機的轉速從而達到預期想要結果的一種操作。在控制直流電機轉速的時候必須根據不同的用電要求選擇合適的轉速，并且在工業(yè)生產中能夠滿足更多的生產要求，不過工程應用當中穩(wěn)速卻不能夠達到要求，要滿足網速要求，必須要在一定的精度條件下按照規(guī)定速度運行，并且運行的時候不能受到太大的干擾以及轉速改變。一般直流電機出現(xiàn)速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象是因為直流調速單元出現(xiàn)了調節(jié)器故障，無法快速根據負載參數(shù)的改變作出反應。因為直流電機的數(shù)字模型比較容易得到，而利用經典控制理論可以明確被控制對象的傳遞函數(shù)的具體值，市面上大多數(shù)直流電機調速系統(tǒng)都是基于上述理論進行設計的。不過在實際的傳輸系統(tǒng)設計過程當中，數(shù)字模型中所表示的電機參數(shù)以及拖動負載參數(shù)與實際參數(shù)之間可能有一些出入，特別是一些需要調速的中小型電機。而且對直流電機的管理和控制并不根據線性控制進行，因為許多非線性元素都會干擾到拖動載荷，又因為被控制對象的非線性參數(shù)，因此必須明確調節(jié)器的常數(shù)參數(shù)，不然的話就無法在各種運行條件下確定系統(tǒng)的調速指標，這樣往往會導致調速系統(tǒng)的性能無法達到規(guī)定標準，特別是在系統(tǒng)模型范圍涉及較大的情況下，控制性能往往達不到系統(tǒng)所要的調速標準，通常無法在非線性因素以及載荷因素的影響下保持穩(wěn)定。進行工程設計的過程當中，控制器的控制性能必須滿足系統(tǒng)需要，比如說軋輥磨床車架電控系統(tǒng)，運行過程都必須穩(wěn)定。進行生產的時候，不管是生產負荷參數(shù)還是電機速度，都應該滿足設計要求。近些年來，隨著自動控制技術的興起，關于以單片機為控制芯片的操作系統(tǒng)的研究也越來越多，而PWM(脈沖寬度調制)技術的出現(xiàn)，它能夠控制元器件電路的開關，使其直流電壓伴隨元器件開關而發(fā)生變化。并且大多數(shù)單片機都具有使用簡單，功能強大的優(yōu)點，使單片機結合PWM直流電機調速成為一種很重要的研究方法。PWM調速系統(tǒng)的整體系統(tǒng)較為簡單，操作方便，并且能夠在很大范圍內都能進行調速，因此能夠應用到很多領域中，并且還能夠實現(xiàn)與數(shù)字信號通信。1.2直流電機調速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀近些年，因為智能技術以及自動化技術在近幾年的進步速度加快，相關領域對于直流電機調速系統(tǒng)的研究內容不斷豐富，并且在這方面的研究，國外要比國內更多一些，所以國外的研究技術更為成熟一些，而國內的發(fā)展也是近些年才開始的，所以發(fā)展的較為慢一些。我國直流電機調速系統(tǒng)發(fā)展高速時因為我國的第一只晶閘管在剛剛研究出的時候就被迅速應用到調速系統(tǒng)上并且取得了一定的成功。電力電子技術的出現(xiàn)促進了電機控制技術的進步，電力電機技術更新?lián)Q代的速度不斷加快，這些都為電機控制技術的進步奠定了基礎。自從上世紀60年代晶體管誕生以后，發(fā)展到如今，電力電子器件已經更新到了第4代。每一次電力電子器件產品的更新，都會讓產品的性能更上一個臺階，這也帶動了相關結構和技術的進步，使得不同領域內的競爭逐漸加劇，這也帶動了更多電子應用的出現(xiàn)。并且在微電子技術以及自動控制技術等高科技技術興起之后，電機控制技術也得到了一定的完善，這也為后續(xù)的智能化、自動化技術的發(fā)展奠定了基礎。在之前的20年時間里，這些技術在我國各領域的應用范圍逐漸變得廣闊。剛開始的時候模擬隔離器件由自動控制器組成，因為模擬器件的各類缺點，控制精度很高，需要多個組成器件共同輔助系統(tǒng)運行，這也使得模擬直流驅動系統(tǒng)可靠性低。自從上世紀70年代之后，單片機就被當成了電機控制系統(tǒng)的主要控制芯片。在基于單片機的控制系統(tǒng)當中，單片機作為系統(tǒng)控制的核心元件需要進行一些算法計算，同時還要完成信息的輸入與輸出。而單片機所具備的各項功能也決定了控制系統(tǒng)能夠滿足的所有功能。上世紀70年代以后微型計算機才得以誕生，并且在集成電路制造工藝不斷更新與完善之后，微型計算機的功能也越來越強，同時性價比也越來越高。另外電力電子技術的出現(xiàn)也帶動了高速電子設備性能的發(fā)展。所以市面上普遍利用微機對電機進行控制，從而實現(xiàn)電機不同性能的調整與控制，使得電機的所有功能得到了充分運用，使電機的性能更加一致?？蒲腥藛T按照人民的工作需要，生產出了具備各種能力的電機，這無疑提高了電機控制技術。對一些簡單的電機微機電路系統(tǒng)設計，只需要在微機上安裝繼電器以及開關元件對電路的通斷進行控制即可。而當前機床設備的流水線生產過程中，已經將基于微機的可編程控制器進行大量投入使用，根據規(guī)律對各類電機的動作進行控制。關于電機控制，需要對電機的電流、電壓等進行調控，讓電機遵循系統(tǒng)發(fā)出的指令進行工作。通過微機控制之后,能夠大幅度提高電機性能。傳統(tǒng)的直流電機或者交流電機，都有著明顯的缺點，比如說直流電機雖然具備機械轉換器，能夠實現(xiàn)電機速度的控制，但其具有機械磨損以及換向火花的問題。而交流電機具有直流電機無法具備的結構優(yōu)勢,并且性能比直流電機更穩(wěn)定，但在固定頻率的電網中運行的時候，其速度調節(jié)無法滿足經濟性要求。通過微機來滿足電機調速需要的，并設計出數(shù)字化控制的調速系統(tǒng)是當前電機調速控制系統(tǒng)設計研究的主要研究方向。自從上世紀80年代之后，各國的電力公司都紛紛推出了自己自創(chuàng)的數(shù)字調速轉動系統(tǒng)，因為流量控制技術的快速進步，晶體管成為了主要的功率部件。相位控制方法以及功率整流方法都是市面上常用的調速控制方法，尤其是對于需要利用微機的智能控制系統(tǒng)，對于直流調速裝置的精度要求以及性能要求都要更高。而數(shù)字直流調速單元因其出眾的性能受到了電子市場的普遍歡迎。1.2.1國內研究現(xiàn)狀李瑋等人[1]提出了以8089單片機作為主控系統(tǒng)的新型的全數(shù)字式直流調速系統(tǒng)。彭代欣[2]提出了一種基于52單片機的PWM直流電機調速系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過外附紅外傳感器能夠直接的對直流電機的轉速進行測量，借助C語言進行程序編寫，從而對主控系統(tǒng)進行控制，通過實驗可以知道該系統(tǒng)的性能符合設計標準，可以滿足設計要求。趙劍曦[3]學者主要對模型車的小型調速系統(tǒng)進行了深入研究。此系統(tǒng)選擇了MC9S12DG128B單片機，借助PWM技術，對電機進行控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電機的起動、運行、換向、制動、停止等控制。該調速系統(tǒng)具有實用性強、性價比高、結構簡單、功耗低等特點。周金明等人[4]研究了單勵磁直流電動機大范圍運行時的全局速度控制問題。首先對電機進行了兩個局部建模，當轉速低于基速時為線性模型，當磁場減弱得到遠高于基速時為非線性模型。然后對線性模型設計線性魯棒狀態(tài)反饋控制器，對非線性模型設計自適應backstepping控制器?？紤]了電樞和磁場電阻的不確定性以及負載轉矩干擾。然后利用全局控制方法將局部控制器組合在一起，獲得兩個局部控制器之間的平滑插值。最后，對所提出的控制器進行了仿真試驗。1.2.2國外研究現(xiàn)狀R.R.Boudreaux等人[5]認為可以借助模擬控制技術對DC-DC轉換器的輸出電壓進行控制。數(shù)字控制實現(xiàn)中的關鍵問題包括模數(shù)轉換范圍，分辨率和延遲，計算時間和數(shù)值精度。并且使用Matlab和Simulink軟件進行仿真建模。實驗結果表明了模擬模型的效果很好。CPHenze等人[6]介紹并分析了一種輸入電流為正弦的交直流電源調節(jié)器。使用了兩個控制回路。內部量化增益電流程序環(huán)路采用可變遲滯來提高抗噪聲能力。數(shù)字比例積分控制通過調節(jié)電流程序回路的增益來提供輸出電壓調節(jié)。RRShamshiri等人[7]首先利用基本物理學原理推導了直流電動機機電特性的線性微分方程，以模擬輸入和輸出之間的關系(傳遞函數(shù))。該傳遞函數(shù)用于分析系統(tǒng)的性能，并設計合適的控制器(滯后補償器和PID)以滿足設計準則。KMRaza等人[8]提出了采用PWM方法來滿足直流電機的速度控制的所有要求。基于PWM的速度控制系統(tǒng)由電子元件(集成電路、傳感器等)組成。這篇文章主要借助PWM對直流電機速度進行控制。采用集成電路，配合光電耦合器檢測直流電機的速度。整流電路是給電路和電機供電的電路。本文表明，在不使用昂貴的元件和復雜的電路的情況下，可以有效地實現(xiàn)對小型直流電機的精確控制。MGeorge[9]討論了利用斬波電路實現(xiàn)SEDM的速度控制。并與采用傳統(tǒng)控制器的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行了性能比較。整個系統(tǒng)的建模使用MATLAB進行仿真。據相關研究數(shù)據可以知道，NARMA-L2控制器能夠實現(xiàn)對置換電流的控制。TAbubokar等學者[10]利用智能軟件進行仿真測試，明確直流電機的轉速性能控制。本文的目的是解釋結合非線性控制（電樞電壓和勵磁電流）和(PID)控制器來控制直流電機速度的原理。在勵磁控制模式下，電樞電壓保持恒定，并且向勵磁施加可調電壓。采用MATLAB/Simulink建立直流電機仿真模型。MKelemen等人[11]首先介紹了直流電機的數(shù)學模型。在控制器的設計中使用了兩種方法：頻率整形和PWM控制，使用Matlab/Simulink軟件模擬和比較這兩種方法，從而明白使用該控制方法的優(yōu)劣勢。1.3本文主要研究內容這篇文章主要以51系列單片機作為控制芯片，以PWM直流電機調速系統(tǒng)為研究對象，進行系統(tǒng)設計與研究。同時還闡述了硬件電路與軟件編程之間的差別，探究了以下幾方面內容：（1）對直流電機調速系統(tǒng)的結構與原理進行系統(tǒng)研究，并結合本課題的具體情況設計出合適的基于單片機的直流電機調試系統(tǒng)。（2）探究直流電機調速系統(tǒng)軟硬件系統(tǒng)的設計；分析系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的必要條件，明確系統(tǒng)設計的具體步驟。（3）利用相關軟硬件平臺進行系統(tǒng)算法測試，然后把得出的結果進行分析與討論。第2章直流電機調速系統(tǒng)設計及其原理現(xiàn)如今我國對于直流電機調速的技術研究越來越完善，并且因為直流電機調速系統(tǒng)可以應用到社會生活種的各個領域中，所以對其的研究有著很強的研究價值，因此本章主要對以單片機為控制核心的PWM直流電機調速系統(tǒng)進行研究，然后對系統(tǒng)的設計思路和運行原理進行系統(tǒng)的探討。2.1直流電機的結構發(fā)電機以及電動機是直流電機的兩個重要結構，直流電動機的工作原理是將電能轉變?yōu)闄C械能；而發(fā)電機則是將機械能轉換成電能，其結構如下圖2-1所示：圖2-1直流電機結構圖通過觀察上邊的結構圖可以發(fā)現(xiàn)，直流電機主要由轉子和定子組成。在定子與轉自之間有一個空隙，在電樞鐵心上邊置放一組電樞繞組，這個電樞繞組的手段與末端之間分別連接到兩個圓弧的銅片上邊，該圖片也叫換相片。為了設計過程更加保險，兩銅片之間是必須完全絕緣的，滿足完全不導電的要求，并且可以將換向器設置在兩銅片的連接點上。換向器會固定在直流電機的轉軸上，同時與轉軸直接也是相互絕緣的。在換向片上邊還會有一對固定的電刷，其主要負責的就是當電樞在發(fā)生轉動的時候，可以與外界電路接通。直流電機主要是利用磁場作用來產生動能，磁場指就是磁極鐵芯周圍纏上一層線圈，發(fā)電過后會在線圈周圍產生一定的作用力，而產生這些作用力的就是磁場。2.2直流電動機的工作原理接下來著重講述直流電動機的工作原理。實際的工作原理可以見圖2-4：圖2-4直流電動機的物理模型根據直流電動機模型圖可以得到，受到電動機內部磁場的影響之后，導體ab從右到左開始受力，但在S端導體受力的方向與ab端相反，呈現(xiàn)逆時針旋轉的電磁力矩。比如說電流流經ab電刷的過程當中，電刷a和B將會分別成為電源的正負極，電流還會不斷流過電樞線圈。當電樞進行旋轉之后，其結構如下圖2-5所示：圖2-5旋轉后的直流電動機的物理模型當原來電機的N機型下的導體ab在旋轉之后到了S極下，受力方向也發(fā)生了變化，轉變成了從左到右的方向，導體CD在旋轉之后處于N極下方,這一過程改變了電機受力方向。電磁力會導致電路系統(tǒng)產生一個逆時針方向的電磁轉矩。而直流發(fā)電機與直流電動機最為相似的一點就是兩者都有超過兩個的電磁線圈，并且擁有多個磁極。直流電機的目的是實現(xiàn)電能向機械能的轉換，如果電機受到外部壓力作用，會造成導體中生成電流，載流導體就會導致磁場中出現(xiàn)電磁力。并且可以借助換向器的換向作用，當導體被放置到異性磁極的時候，會對現(xiàn)在導體中存在的電流方向發(fā)生改變，這也能保證電磁轉矩方向不會發(fā)生改變，從而使直流電動機能夠進行連續(xù)的轉動，這樣也就能夠實現(xiàn)把電能轉變?yōu)闄C械能作為輸出。2.3PWM直流電機調速原理PWM（PluseWidthModulation）被叫做脈沖寬度調制器，電機內部的脈沖電需要調制器來提供。其中脈沖寬度對于電機的調速性能來說十分重要，電機的轉速與平均電壓成正比，平均電壓越大，轉速越高。如果前兩者的值過小，導致電機的平均電壓變小那么電機的轉速就會不可避免的變慢。PWM的電平高低與電機的狀態(tài)無關，平均電壓才是電機轉速的主要影響因素。PWM（脈沖寬度調制）能夠對模擬信號電平進行數(shù)字編碼。通過借助高分辨率控制器對方波進行調控，實現(xiàn)對特定信號的編碼操作。PWM信號屬于一種數(shù)字信號。主要原因是在任何時候，直流電源的電流供應只有存在和不存在兩種情況。而電源的開關狀態(tài)以重復脈沖序列的施加過程有關。電源處于開啟狀態(tài)時，會導致電源的負載增加，而電源處于關閉狀態(tài)的時候，電源負載就會減少。如果帶寬滿足要求的話，可以利用PWM對任何信號進行編碼操作。PWM能夠直接實現(xiàn)受控系統(tǒng)的數(shù)字信號傳輸，省去了模數(shù)轉換這一步驟。以數(shù)字形態(tài)進行，信號傳輸能夠在一定程度上削弱噪聲。噪聲也只有在邏輯1~0或邏輯0~1的時候才會對數(shù)字信號傳輸過程造成干擾。因此可以看出PWM的另一個優(yōu)勢就是抗噪優(yōu)勢，因此該技術在通信領域也有著較為廣泛的應用范圍。PWM進行模擬信號傳輸?shù)臅r候能夠最大程度的提高通信范圍。接收端能夠滿足高頻方波的過濾調制，然后通過網絡將信號轉換成模擬狀態(tài)。而該調速系統(tǒng)的電路設計見下圖2-6和圖2-7所示：圖2-6PWM調速系統(tǒng)工作原理圖2-7PWM調速系統(tǒng)輸出波形其調速原理的占空比公式如公式（2-1）所示：（2-1）公式中的代表的就是對電機施加的電壓的變化周期；公式中的代表的就占空比；代表的是在一個周期內電機施加的高電平一直持續(xù)的時間；代表的是在一個周期內電機施加的低電平一直持續(xù)的時間；如果想要改變PWM脈沖占空比，最常用的幾種方法右調頻、調寬以及兩者進行結合一起調節(jié)。2.4系統(tǒng)整體設計思路在本文中我們考慮到直流電機在速度上較為穩(wěn)定，因此此次設計才選用了51系列單片機，進行單片機設置的時候還需要對PWM進行調試，通過這兩方面的結合實現(xiàn)直流電機系統(tǒng)的調速要求。在搭建系統(tǒng)的過程中，要對軟硬件系統(tǒng)進行綜合設計，為了確保直流電機的速度控制精度滿足標準，必須要讓系統(tǒng)各個部分都滿足性能要求，其系統(tǒng)組成如下圖2-9所示：圖2-9系統(tǒng)總體構成框圖通過上邊的系統(tǒng)構成圖可以得到通過單片機對電機進行控制，在P答辯人進行信號輸出之后，還需要利用改變占空比來對電機速度進行調節(jié)，輸出端的信號進行處理之后，會轉變成控制電機轉速的控制信號，而這些部分均為直流電機，調速系統(tǒng)的重要組成部分。第3章硬件電路設計硬件電路的設計是極其重要的，是整個系統(tǒng)能否正常運行的基礎，要是硬件電路突然故障，系統(tǒng)運行就會受阻，所以一定要重視硬件電路的設計過程。對于此次研究的直流調速系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計，需要注意的地方一來是硬件元器件的選型，二來是對整個電路的控制，要在能夠滿足預先設定的要求的同時還要盡量降低成本。3.1基于單片機控制電路設計此次設計選用的是STC89C52RC芯片，是當前51系列單片機的升級版。它使用MCS-51內核，但具有許多51微控制器所沒有的特性。正是因為具備這些使得這款單片機一直被很多人使用。其單片機引腳的示意圖如下圖3-1所示：圖3-1STC89C52RC單片機引腳示意圖通過觀察上圖可以得到，在STC89C52RC單片機中40引腳的VCC指的就是單片機的電源；20引腳的VSS指的是單片機的接地端；9針RST指示微控制器的復位輸出，30針ALE/PROG指示地址鎖存器ALE在訪問外部程序或數(shù)據存儲器時接受脈沖輸出。地址的低8位字節(jié)，引腳31上的EA，指示存在外部訪問信號時是否允許訪問[13]。如果EA處于低電平狀態(tài)，則允許訪問，否則不允許位訪問。其中P0至P3的功能如下表3-1所示：表3-1引腳功能表引腳功能P0（P0.0-P0.7）8位漏極開關型雙向I/O端口?？梢宰鳛橥ㄓ肐/O口使用，但必須加上拉電阻。P1（P1.0-P1.7）內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O端口P2（P2.0-P2.7）內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O端口。P3（P3.0-P3.7）內部帶上拉電阻的8位多功能雙向I/O端口。其時鐘電路和復位電路也同樣重要，在STC89C52RC單片機的內部存在有一個能夠組成振蕩器的高效益反相放大器，在其引腳RXD與引腳TXD分別為這個放大器的輸入以及輸出。如下圖3-2所示：（a）內部方式時鐘電路（b）外部方式時鐘電路圖3-2時鐘電路圖a顯示內部模式時鐘電路，圖b顯示外部模式時鐘電路。市面上經常選用晶體管與電容器組成的諧振電路作為系統(tǒng)的定時元件。在外部方式時鐘電路中，引腳RXD會直接接地，引腳TXD將與外部振蕩器相連，并且不會對外部震蕩信號產生干擾，只要確保脈沖寬度滿足要求即可。復位電路在單片機中有著非常重要的作用，一般包含兩部分。外部電路主要負責向觸發(fā)器發(fā)送復位信號，觸發(fā)器輸出信號之前需要在復位電路進行定位采樣，這樣才能夠得到需要的復位信號。復位操作的方式有很多，復位電路如下圖3-3所示：（a）上電復位（b）按鍵電平復位（c）按鍵脈沖復位圖3-3復位信號電路圖圖a為上電復位，圖b為按鍵電平復位，圖c為按鍵脈沖復位。電源復位主要利用電容復位的充電過程來實現(xiàn)，要想讓該過程自動進行，一定要確保電源VCC的上升時間不會超過1ms。而利用按鍵進行手動復位的方式有電平方式和脈沖方式兩種，按鍵電平復位主要通過在復位端和電源之間安裝電阻來實現(xiàn)，按鍵脈沖復位主要是利用RC差分電路為復位電路提供正脈沖來實現(xiàn)。3.2電機驅動電路設計本文使用的電機驅動模塊是L298N模塊，該模塊能夠同時滿足高電壓以及強電流工作環(huán)境下穩(wěn)定工作的電機驅動模塊。該模塊的特點是：工作電壓較大，最大時可以達到46伏，并且輸出電流也很大，最大峰值電流能達到3A，而正常工作的時候，電流值也在2A左右，并且額定功率為25瓦。此模塊的作用就是用來給直流電機等電力設備提供動力。其原理圖如下圖3-4所示：圖3-4L298N驅動原理圖通過觀察其原理圖可以得到這個模塊中所具備的電容其作用是為了濾波。VCC代表的是L298N芯片供電5V，此模塊需要外接，此處接地時最好取邏輯部分的電壓供電；D1-D8代表的是續(xù)流二極管；VIN指的就是電機供電的電源接口，要是電機是用9伏電源進行供電的，那么就將VIN與電源正極相連，GND與負極相連。必須要知道的是如果L298N的充電電壓達到了5伏，如果要更換電源供電方式，使得供電電源與單片機電源分開，就必須實現(xiàn)GND的相互連接，這樣才能夠滿足單片機邏輯信號必須具備參考零點的要求。其L298N模塊在控制直流電機時，接收的信號與輸出的信號都十分重要，其輸入輸出關系如下表3-2所示：表3-2L298N輸入輸出關系ENAIN1IN2電機運行情況0XX停止110順時針101逆時針000停止011停止當L298N驅動模塊控制直流電機時，其如下圖3-5所示：圖3-5L298N控制直流電機通過觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)L298N模塊可以當收到單片機的信號時，進行分析處理從而能夠實現(xiàn)控制直流電機的功能。3.3調速系統(tǒng)供電電源電路設計本文設計的調速系統(tǒng)中單片機電源電壓需要的是5V，但是驅動模塊中所需的電壓是12V，所以本文設計的調速系統(tǒng)的電源電路能夠同時提供5V以及12V電壓，所以在設計電源電路的時候需要實現(xiàn)不同電壓輸出的線性直流電源。所以本系統(tǒng)中使用雙路直流穩(wěn)壓電源。雙路是指電源有兩路獨立輸出，所以雙路直流穩(wěn)壓電源指的就是有兩路獨立輸出的直流穩(wěn)壓電源。其電路原理圖如下圖3-6所示：圖3-6雙路直流穩(wěn)壓電源的電路原理圖雙路輸出電流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點是在于針對固有的傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源，雙路輸出電流穩(wěn)壓電源使用了雙向通道進行輸出直流電源，因為它是通過內部整合使交流電源變成了直流電源，從而使變壓器的利用率變高，同時這個結構可以廣泛應用到各個場所中，所以此次設計就選擇該模塊當作直流電機調速系統(tǒng)的電源模塊。3.4測試模塊電路設計采用光電傳感器測量電機轉速，在電機軸上端安裝紙卡，紙卡上留有兩個孔。每當電機軸轉動時，發(fā)光二極管發(fā)出的光通過紙卡上的一個孔到達接收二極管，接收二極管就可以產生相應的脈沖信號。統(tǒng)計1秒內輸出的脈沖信號個數(shù)，取計數(shù)結果的一半，求出電機的轉速。光電傳感器接線圖如下圖3-7所示：圖3-7測速模塊原理圖3.5PWM信號發(fā)生電路設計PWM（脈沖寬度調制）系統(tǒng)是通過控制不同的參數(shù)來實現(xiàn)對電路的控制。與其他控制方式相比，PWM控制技術具有操作難度相對較低、運行周期相對較短、數(shù)據結果相對穩(wěn)定等諸多實際優(yōu)勢，因此在工業(yè)生產中也得到廣泛應用。PWM技術沒有地域性，關鍵是理解控制思想，理解開關控制。利用PWM技術的控制時間差異，通過改變電壓的比值來完成PWM信號的變化，PWM的變化體現(xiàn)在直流變化上。PWM信號可以通過STC89C52RC編程實現(xiàn)，本設計采用的調速方式為恒頻調寬方式，即固定脈沖信號的頻率（周期），調節(jié)電壓增大脈沖的寬度。電平狀態(tài)改變脈沖信號占空比的時間（一個周期內高電平狀態(tài)的電壓值占一個周期的百分比）電機電樞兩端的平均電壓值，從而達到調速的目的直流電機的調節(jié)。其直流電機PWM調速系統(tǒng)的電路原理圖如下圖所示：圖3-8直流電機PWM調速系統(tǒng)的電路原理圖第4章系統(tǒng)軟件設計本文設計的基于51單片機的直流電機調速系統(tǒng)在硬件電路設計完成后還需要設計系統(tǒng)的軟件部分。系統(tǒng)程序主要由三部分組成：主程序、中斷程序和控制過程的其他程序。其中，主程序的作用是改變電壓實現(xiàn)速率常數(shù)值的占空比，中斷程序主要是提高系統(tǒng)效率，維持系統(tǒng)正常運行，滿足實時處理。它提供了需求和錯誤處理方法，一個可以隨時中斷的程序，需要對采集到的數(shù)據進行分析，最終在PWM信號波形發(fā)生變化時得到電機轉速。4.1系統(tǒng)程序設計4.1.1主程序設計在設計軟件的時候，最重要的是要實現(xiàn)對電機轉速實現(xiàn)控制，而如何對電機轉速實現(xiàn)控制，就需要進行程序編程，所以主程序的設計就顯得尤為重要。其系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖通過觀察圖4-1可以得到，本文設計的直流電機調速系統(tǒng)使用的是AT89C52RC型號的單片機作為控制器，通過PWM信號發(fā)生電路、L298N驅動模塊安裝在直流電機軸上邊固定的霍爾傳感器實現(xiàn)對直流電機轉速的測量。本文通過PWM信號所引起的在直流電機上邊的變化來實現(xiàn)信號的變化，然后能夠對直流電機進行測速，并且對測量到的速度進行記錄，并且使用濾波器對其信號進行解壓來發(fā)快電機信號，最后通過數(shù)模轉換的芯片把轉換后的數(shù)據信號發(fā)送到單片機上邊，在內部程序中循環(huán)控制最終實現(xiàn)對直流電機進行調速。4.1.2PWM信號發(fā)生程序設計PWM(PulseWidthModulation)，即脈寬調制。利用微處理器的數(shù)字輸出來控制模擬電路是一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通信、電源控制、轉換等諸多領域。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。它使用高分辨率計數(shù)器來調制方波的占空比，以對特定模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的。這是因為，在任何給定時刻，滿量程直流電源要么完全存在(ON)，要么完全不存在(OFF)。電壓或電流源以ON或OFF的重復脈沖序列施加到模擬負載。開啟時，將直流電源添加到負載，關閉時，移除電源。如果您有足夠的帶寬，您可以使用PWM對任何模擬值進行編碼。大多數(shù)這些負載，無論是電感性還是電容性負載，都需要高于10Hz的調制頻率，通常為1kHz至200kHz。而PWM產生的信號我們用鋸齒波來表示，因此鋸齒波能夠很好的表示出信號變化的規(guī)律相較于其它波形。PWM信號在產生時主要的波形變化是由于占空比不同導致波形也會有很大，同時在一個周期內其波形的變化是固定的。它的作用如下圖4-2所示:圖4-2產生PWM信號時的電路波形產生PWM信號時波形的發(fā)生過程如下圖4-3所示：圖4-3產生PWM信號時波形的發(fā)生過程4.1.3延時程序設計每個程序都需要有自己的延時程序才能保證程序能夠順利運行，一般是使用單片機的晶振和機器周期進行延時程序的編寫在延時過程的編程需要使用for程序進行嵌套。因為系統(tǒng)設計中選用了PWM電路具有能夠保證時間和轉速穩(wěn)定，因此能夠適用與直流電機調速控制系統(tǒng)中。本文設計的直流電機調速系統(tǒng)適用L298N驅動模塊結合51單片機發(fā)生PWM信號從而達到控制電機進行調速控制等操作。PWM電路的H型又保證轉速穩(wěn)定的前提下結果的穩(wěn)定性，也同樣被高頻率的適用于控制系統(tǒng)中，本文設計的延時程序流程圖如圖4-4所示：圖4-4延時程序流程圖4.2系統(tǒng)調試當本文設計的軟件程序與硬件電路相結合之后，需要對系統(tǒng)進行調試。保證能夠順利實現(xiàn)直流電機的調速系統(tǒng)的實現(xiàn)。4.2.1軟件調試軟件測試對每個系統(tǒng)都是必要且極為重要的一個步驟，因為軟件測試主要是針對目前研發(fā)的直流電機調速系統(tǒng)是否能夠正常運行進行測試，如果在測試過程中出現(xiàn)一些問題，那么就需要及時的對這個系統(tǒng)進行調整以達到預期執(zhí)行的結果；軟件調試需要從軟件設計的最開始就進行，如果在系統(tǒng)全部完成才開始進行調試，那么調試的復雜難度會很高，如果在設計中的每一步都帶有檢測調試，那么既方便快捷，又省時省力。本論文主要由硬件和軟件兩部分組成，其中52臺單片機是硬件的核心，是整個論文執(zhí)行的基本保障，為計算和計算提供了最直接的功能。軟件部分的操作。軟件部分是對從硬件部分得到的數(shù)據進行分析，也是論文硬件部分結果的實現(xiàn)，經過對數(shù)據的分析對比，分析單機直流電機的調速效果。在論文的仿真中選擇Proteus，先畫出并查看整個過程的電路圖。觀察有無缺陷，如果編程語言能正確運行，則生成模擬文件，并將這些模擬文件發(fā)送到系統(tǒng)進行方舟，驗證從論文中得到的數(shù)據是否正確。4.2.2測速軟件設計電機驅動芯片的關鍵是由7個程序組成，這4個驅動相互限制，每一步的測試結果相互影響，通過控制4個驅動電路中的每一個，定時器測量單位時間內的脈沖數(shù)。然后計算電機的轉速，最后通過顯示器顯示電機轉速。其測試程序流程圖如下圖4-5所示：圖4-5測試程序流程圖通過觀察上圖4-5可以得到，測試電機的體現(xiàn)主要通過程序的編寫和圖像的顯示來確定。第5章系統(tǒng)仿真調試本章是將本文設計直流電機調速系統(tǒng)進行仿真調試，為的就是能夠確保設計的系統(tǒng)能夠正常運行。5.1仿真調試軟件選取5.1.1編程軟件選取本文使用的STC89C52RC單片機需要使用C語言程序編程才可以對單片機進行控制，而編程C語言需要的軟件便是KeilC51,這個軟件是由美國的一個名為KeilSoftware的公司為51系列單片機開發(fā)編寫了C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。匯編語言是所有編程語言中最低的，在通用特性和結構上都比C語言有優(yōu)勢。Keil公司提供完整的開發(fā)解決方案，包括通過集成開發(fā)環(huán)境(Vision)組合的C編譯器、宏匯編器、鏈接器、庫管理和強大的仿真器調試器。C51工具包的整體結構由Vision和Ishell組成，這是C51的Windows集成開發(fā)環(huán)境（IDE），可以完成編輯、編譯、鏈接、調試、仿真的整個開發(fā)過程。開發(fā)人員可以使用IDE本身或任何其他編輯器來編輯C或匯編源文件。然后它編譯C51和C51編譯器以生成目標文件(.obj)。在LIB51中可以創(chuàng)建目標文件來創(chuàng)建庫文件，也可以與庫文件鏈接以創(chuàng)建絕對目標文件(.abs)。abs文件由OH51轉換為標準hex文件，可與調試器dScope51或tScope51一起用于源代碼級調試，也可用于直接在仿真器中調試目標板。它被寫入程序存儲器，例如EPROM。KeilC51生成的目標代碼非常高效，大部分句子生成的匯編代碼簡潔易懂。在開發(fā)大型軟件時，可以更好地體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C語言在功能、結構、可讀性、可維護性等方面都優(yōu)于匯編語言，易于學習和使用。5.1.2硬件電路仿真軟件選取因為硬件電路如果直接進行實物的焊接可能會出現(xiàn)很多問題，所以需要先進行仿真調試，以便能夠及時找出問題，當在仿真軟件上邊能夠實現(xiàn)預先設定的功能時，在進行實物焊接更具有效率。本文選用的proteus軟件進行硬件電路仿真。Proteus軟件是英國LabCenterElectronics公司發(fā)布的一款EDA工具軟件（該軟件在中國的總代理為廣州峰標電子科技有限公司）。它可以模擬微控制器和外設，并具有其他EDA工具軟件的模擬能力。一個更好的模擬單片機和外設的工具。國內推廣才剛剛開始，但受到了MCU愛好者、從事MCU教育的教師、致力于MCU開發(fā)應用的科技從業(yè)者的好評。從原理圖布局、代碼調試到MCU與外圍電路的協(xié)同仿真，再到一鍵切換到PCB設計，一個從概念到產品的完整設計栩栩如生。全球唯一集電路仿真軟件、PCB設計軟件、虛擬模型仿真軟件于一體的設計平臺，處理器型號有8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086等和MSP430。2010年增加了Cortex和DSP系列處理器，其他系列處理器型號繼續(xù)增加。編譯方面，支持IAR、Keil、MATLAB等多種編譯器。Proteus上可用的模擬組件資源：模擬數(shù)以千計的組件，例如數(shù)字和模擬、交流和直流，并擁有一個包含30多個組件的庫。Proteus可提供的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。同時Proteus可提供的調試手段Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。5.2系統(tǒng)仿真調試結果在Proteus中畫出系統(tǒng)原理圖，包括單片機、直流電機和電流放大器的最小系統(tǒng)。對電流放大器、D鎖存器、4位數(shù)碼管等一系列按鍵開關的電氣規(guī)律檢查，本文的主要目的是對成熟控制系統(tǒng)中常用的89C51單片機控制的PWM信號進行參數(shù)化，并使其是通過控制常用的直流電機的速度本設計中直流電機的驅動芯片模塊采用專用L298N芯片結合單片機產生PWM信號和直流電機控制系統(tǒng)，完成電機的正反轉控制、調速等等。其仿真結果如圖5-1所示：圖5-1系統(tǒng)Protel仿真初始狀態(tài)圖當按下遞增/遞減按鈕時，系統(tǒng)會提供準確的響應。同時在初始LED數(shù)碼管上會有實時顯示一遍又一遍地重復的圖像。當然，鋸齒波的發(fā)射也存在一些問題，鋸齒波只是對電容充放電方式的另一種解釋，可以定量控制，為電容加裝開關。輸入和終端開關的輸入和輸出被調整以控制電容器，產生的波形統(tǒng)稱為初始狀態(tài)圖，其正轉時如圖5-2所示：圖5-2系統(tǒng)Protel仿真正轉按下反轉鍵后，看到電機緩慢的改變方向，同時，速度被LED顯示出來，是逐漸變化到穩(wěn)定狀態(tài)的。其反轉時如圖5-3所示：圖5-3系統(tǒng)Protel仿真反轉第6章結論本文研究設計了一種基于51單片機的PWM直流電機調速系統(tǒng)。對系統(tǒng)進行程序編寫以及硬件設計，這篇文章主要使用了STC89C51單片機傳輸PWM信號，然后控制直流電機的轉速，最終在最后進行了仿真實驗，實驗證明該系統(tǒng)能夠很好的對直流電機進行調速。而本文已經重新根據需求設計了一套直流電機調速系統(tǒng)，并且對其硬件電路進行了設計，同時對單片機等電子元器件進行選型，然后對系統(tǒng)軟件程序進行設計同時調試，調試結果滿足實際需求。通過應用單片機產生PWM信號，并且把信號輸入到了L298芯片中，從而達成控制直流電機轉速的目的，還能將直流電機的轉速進行調節(jié)，調節(jié)到之前設置的速度。電路系統(tǒng)的邏