基于单片机的直流电机控制系统毕业设计

基于单片机的直流电机控制系统设计

摘要：随着社会的发展和科学技术的进步，电机被越来越广泛的应用，直流电机控制系统的好坏直接影响电机性能的发挥。本文设计了一套直流电机控制系统，该系统可以对直流电机进行闭环调速，使系统精确地输出速度值。直流电机控制系统可以通过速度传感器对当前电机转速进行实时采样，系统将这个采样值和设定值进行对比，检查速度是否偏离，如果有速度差，系统就会通过算法输出控制信号去减小这个差值，直到最后速度达到设置值。这种基于单片机的直流电机控制系统不仅结构简单可靠，而且易于编程控制，具有非常好的调速性能。因此，这种基于单片机的直流电机控制系统被大规模应用在各个领域。

本系统是以STC89C52单片机为主控制器，采用L298驱动芯片驱动直流电机，电机的速度利用光电对管进行检测，反馈回来的速度在单片机中完成PID算法计算，输出可变占空比的脉冲波（PWM）对驱动电路进行控制，从而使电机的速度稳定到设置值大小，电机的转速可以通过按键进行设置，液晶显示器可以实时显示电机当前的转速和设置的转速。

第一章绪论

随着社会的发展和科技的进步，人们对生产设备提出了速度更快、精度更高的使用要求，电机作为生产设备最为重要的驱动源，在人们的日常生活和工业生产活动中具有广泛应用，发挥着不可替代的作用。基于单片机的直流电机控制系统不仅结构简单可靠，而且易于编程控制，具有非常好的调速性能。

1.1 本文研究的目的

由于直流电机具有非常好的机械性能，多种多样的控制方式，以及非常好的环境适应性，因此，直流电机在很多工业现场得到越来越广泛的应用[1-2]。直流电机控制系统的好坏直接影响电机性能的发挥。在上世纪七八十年代，由于电子技术的落后，很多的直流电机还是依赖复杂的模拟电路进行控制，这种模拟电路采用分离原件搭建，不仅结构复杂，功能单一，而且一个控制电路智能适应某一型号的直流电机，这也导致了这种控制系统的通用性比较差，正是因为直流电机控制系统存在这些缺点，所以，直流电动机的应用具有很大的局限性[3-5]。随着电子技术的发展，虽然后来的模拟点电路具有比较好的性能，能够满足某些方面的基本需求，但是模拟元件在大功率电机运行强干扰的环境下，很容易受到干扰，造成性能下降，甚至发生事故。[6-8]。随着科学技术的发展，尤其是电子技术和传感器技术的进步，很多功能都可以封装在集成电路中实现，而且随着微型计算机的普及，很多复杂算法和控制功能都可以通过微型计算机实现，所以电机控制系统的到了飞速发展，不仅具有非常好的控制性能，而且抗干扰能力更强，大大推动了直流电机的普及和应用[9]。

随着科学技术的进步，当前的直流电机控制系统已经逐渐实现由模电控制往数字控制方向发展，特别是单片机的普及，大大促进了直流电机控制系统的发展[10]。未来的直流电机控制系统正在往智能化方向发展，本文正是在这样的发展趋势下，选择了基于单片机的直流电机控制系统设计这样一个研究课题，具有比较大的研究意义。

1.2 国内外研究现状

随着电子元器件设计加工技术成熟和节能环保意识的加强，电机的控制技术也随之发生了巨变化。电力电子技术以及微机技术的飞速发展，对电机控制方法产生了巨大影响[11-13]。直流电动机的驱动控制经历了几个发展阶段。最初由开关控制使电机工作在通断模式，这个开关后来逐渐被双向可控硅替换，半控型功率器件电机控制成为发展主流[14]。八十年代，出现了全控型功率器件，比如：晶闸管、GTR、IGBT等高性能开关器件，这种具有自关断能力器件不断发展，基本上已经全部取代了普通晶闸管，由于普通晶闸管使用必需有换相电路相配套，而全控型功率器件不需要，因此使电路得到大大的简化；除此之外，这些器件还具有很高的开关频率，从而提高了电机工作频率，降低了噪声，同时整个系统的的体积也得到了很好的控制[15-17]。上个世纪八十年代，基于脉冲宽度调制技术的电动机的控制系统被研发出来，最早利用在驱动功率较小、不可逆的控制系统中。近期，由于电路技术的不发展和晶体管器件性能不断提高，市场上出现了以脉宽进行调速的永磁直流电动机，这大大加快了脉冲宽度调制技术的发展，同时也对电动机驱动技术产生了推力。早期的脉冲宽度调制技术是被用在军事领域，它的优异性能，能够满足那些对速度和精度都有高要求的跟踪系统里。近些年，该技术不断被应用在各种工业上[18]。

十九世纪三十年代，法拉第最早发现电磁感应现象，为电机的提供了坚实的理论基础。在后来的十年时间里，世界上第一台直流电机就被研制出来，在随后的几十年里，直流电机不断完善，技术不断成熟。随着直流电机的发展，直流电机控制器也不断进步[19]。1918年，美国人Lamgnal就开发出最早的水银整流器，并成功开发出由电机调速用的逆变装置；二十世纪三十年代，有部分研究人员提出采用离子设备对定子绕组进行控制，但是最终实验表明，这种装置的可靠性不高、控制的效率非常低、设备非常笨重，因而很快被放弃了[20]。随着科学技术不断发展，半导体技术取得前所未有的进步。开关型晶体管的研制成功，为创造新型电机——无刷直流电机带来了生机。D.Hanrisanz在1950年第一次申请了用晶体管换向代替电刷进行换向的专利，为无刷直流电机的发展奠定了良好的基础[21]。随着半导体技术的土匪猛进，美国人在1962年利用霍尔效应成功研发出了无刷直流电机[22]。随后霍尔元件在电机控制中的利用取得重大突破，开始迅速普及，由于它的灵敏度比二极管高出很多倍，因此电机的控制性能也非常好。1965年德国人Mieslonler第一次提出电容移相对电机进行换流的控制方法，在这个理论提出后不久，德国人第一次研制出了利用环形分配器以及过零鉴别器无刷直流电机进行换向操作的控制器。到上个世纪八十年代，晶闸管技术取得飞速发展，已经开始逐渐取代了传统的直流电机控制装置，直流得控制方式得到了进步[23]。

我国在直流电机控制器方面的研究，起步比欧美等发达国家晚，在上个世纪六十年代才开始进行硅晶闸管研制，在随后的几十年里，以晶闸管为基础的直流电机调速系统也得到大规模的应用[24]。随着社会的不断进步和需求的不断提高，用户对电机性能和控制要求也越来越高，除了要具有结构简单、可靠性好、安全性高等特性，还要考虑电动机的稳定性和环保性，这些都必须遵守严格环国家标准。当前，更高性能电力电子器件一定会出现，已有的成熟的电力电子器件还会不断地升级改进。

1.3 论文设计内容

本文设计了一套直流电机控制系统，该系统可以对直流电机进行闭环调速，使系统精确地输出速度值。直流电机控制系统可以通过速度传感器对当前电机转速进行实时采样，系统将这个采样值和设定值进行对比，检查速度是否偏离，如果有速度差，系统就会通过算法输出控制信号去减小这个差值，直到最后速度达到设置值。这种基于单片机的直流电机控制系统不仅结构简单可靠，而且易于编程控制，具有非常好的调速性能。本系统是以STC89C52单片机为主控制器，采用L298驱动芯片驱动直流电机，电机的速度利用光电对管进行检测，反馈回来的速度在单片机中完成PID算法计算，输出可变占空比的脉冲波（PWM）对驱动电路进行控制，从而使电机的速度稳定到设置值大小，电机的转速可以通过按键进行设置，液晶显示器可以实时显示电机当前的转速和设置的转速。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统总体方案设计

本文设计的直流电机控制系统包括六大部分：电源电路、测速电路、单片机最小系统电路、电机驱动电路、按键电路和显示电路。直流电机控制系统可以通过速度传感器对当前电机转速进行实时采样，系统将这个采样值和设定值进行对比，检查速度是否偏离，如果有速度差，系统就会通过算法输出控制信号去减小这个差值，直到最后速度达到设置值。系统工作原理图如下图2.1所示。