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首页基于单片机的PWM直流电机调速系统毕业论文
在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电动机不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成为主流。随着电力电子技术的发展,开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流,脉宽调制技术表现出较大的优越性:主电路线路简单,需要用的功率元件少;开关频率高,电流容易连续,谐波少,电动机损耗和发热都较小;低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统快速响应性能好,动态抗扰能力强; 本设计以89C52单片机为核心,用C语言进行编程控制,采用单片机内部定时器产生可调的矩形波。以键盘作为输入达到控制直流电动机的启停、速度和方向,电动机速度的测量,在设计中,依据直流电动机的工作原理和数学模型以及脉宽调制(PWM)控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路,采用了PWM技术对电动机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的,通过光电对管以及码盘来测量电动机的转速,防止电动机堵转而烧坏。测量的速度通过4位数码管来显示。
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摘要
在如今的现实生活中,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发
展,其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电动机不如交
流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护,但是它具有良好的
起、制动性能,宜于在广泛的范围内平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自
动调速系统中的主要形式。现在电动机的控制从简单走向复杂,并逐渐成熟成
为主流。随着电力电子技术的发展,开关速度更快、控制更容易的全控型功率
器件 MOSFET 和 IGBT 成为主流,脉宽调制技术表现出较大的优越性:主电路
线路简单,需要用的功率元件少;开关频率高,电流容易连续,谐波少,电动
机损耗和发热都较小;低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽;系统快速
响应性能好,动态抗扰能力强;
本设计以 89C52 单片机为核心,用 C 语言进行编程控制,采用单片机内部
定时器产生可调的矩形波。以键盘作为输入达到控制直流电动机的启停、速度
和方向,电动机速度的测量,在设计中,依据直流电动机的工作原理和数学模
型以及脉宽调制(PWM)控制原理和 H 桥电路基本原理设计了驱动电路,采用
了 PWM 技术对电动机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的,
通过光电对管以及码盘来测量电动机的转速,防止电动机堵转而烧坏。测量的
速度通过 4 位数码管来显示。
关键字:PWM 调速 H 桥电动机驱动 电动机测速 89C52 单片机

ABSTRACT
With the development of science and technology, automatic control system has
been widely used and development in all walks of life, which the application of the
automatic speed control system plays a particularly important role. DC motor as AC
motor as the structure is simple, cheap, easy to manufacture, easy to maintain, but it
has a good start, braking performance, it is appropriate in a wide range of smooth
speed, DC speed control system is still automatically speed control system in the main
form. Motor control from simple to complex, and mature into the mainstream. With
the development of power electronics technology, the switching speed is faster, easier
to control the full-controlled power devices MOSFET and IGBT become mainstream,
pulse width modulation technology showed a greater superiority: the main circuit line
is simple, need to use the power components ; switching frequency, current
continuous, harmonic, motor loss and fever are small; good low-speed performance,
high-speed stability, and thus a wide speed range; rapid system response performance,
dynamic immunity;
The design of the 89C52 MCU as the core, using the C programming language to
control, using MCU internal timer adjustable rectangular wave. Start and stop the
keyboard as an input to control the DC motor speed and direction, the measurement of
the speed of the motor, working principle and mathematical model of the DC motor
and pulse width modulation (PWM) control principles and H-bridge circuit design,
based on the basic principles of design a driver circuit, a PWM technique to control
the motor, the purpose of calculation of the duty cycle to achieve precise speed
control the photoelectric tube as well as the code disk to measure the speed of the
motor to prevent the motor stall instead burn. Speed measured by four digital tube
display.
KEYWORDS:PWM speed modulation H-bridge motor drive motor speed
modulation 89C52 MCU

引言
在运动控制发展的历程中,交、直流两大电机构并存于各个工业控制领域,
随着各个时期科学技术的发展,它们所处的地位、所起的作用不同,但它们始
终随着工业技术的发展而不断的提高性能,特别是在电力电子和微电子技术日
益发展的今天,PWM 调试方式的产生促使这两大电机的调速方式上逐渐进入了
一个新的时代
[1]
。
电气传动种类可分为直流电动机传动(简称直流传动)、交流电动机传动(简
称交流传动)、步进电动机传动(简称步进传动)、伺服电动机传动(简称伺服传
动)等等。由于电源以及成本的限制加上直流电动机本身的特点,直流电动机传
动比交流电动机在工业控制的应用更为广泛,因为直流调速系统可以用微处理
器实现调速精度高,调速范围广,执行机构控制简单等优点,能很好的应用在
调速传动系统中,故在对调速性能要求较高的工业控制场合,大多都采用直流
电动机进行传动
[2]
。目前,通过微处理器(如单片机,DSP, FPGA)对电动机的
控制,高效的用电信号来控制电机实现电机的高效运行,同控制工作机械按程
序给定的要求运行,新型电动机发展日新月异,满足特定要求的电机自动化技
术已广泛应用于国民经济的各个领域
[3]
。
可控型功率器件工艺的不断进步为电动机高效运行以及调速提供了硬件上
的保证,尤其是最新的一些可关断器件如:门极可关断器件(GTO)、大功率晶
体管(GTR)、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、
绝缘栅双极晶体管(IGBT)、IGBT 工艺的不断进步,使得高频、高压、大功率
PWM 控制技术发展迅速,使得沿用已久的直流电动机控制技术完成了一次大的
飞跃,同时,由于控制芯片工艺的改进,芯片内部电路集成度越来越高,功能
越来越强大,控制电路已经趋于高集成化、小型化、高可靠性及低成本,由于
芯片工艺以及新型开关器件工艺的发展,直流调速系统的性能指标得到大幅提
高,应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列
化、标准化,在高精度的电动机传动领域中仍然难以替代
[5]
。
传统的直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固
有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动
系统的控制度及可靠性较低。随着计算机控制技术的发展,直流传动系统已经

广泛使用微机,实现了全数字化控制
[6]
。由于微机以数字信号工作,控制手段
灵活方便,抗干扰能力强。所以,全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直
流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系统,能与管理计算机、
过程计算机、远程电控装置进行交换,实现生产过程的自动化分级控制。由于
直流电动机传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步,应用相当普遍,尤
其是数字直流系统的出现,更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以,今
后一个阶段在调速要求较高的场合,如轧钢厂、海上钻井平台等,直流调速仍
然处于主要地位,直流传动控制的微机调速,使直流调速系统进入一个崭新的
阶段
[7]
。
一、硬件电路设计
(一)硬件设计总体框图
图 1-1 硬件设计总框图
系统主要采用 89C52 单片机为主控芯片,单片机读取按键值,然后控制
电动机正转,反转,启动,停止,调速,以及速度的测量。单片机先读取按键
89S52
单片机
电动机转速测量
电动机驱动
+5V 电源
+12V 电源
电动机转速显
示
按键

值,然后控制电动机的转动,同时光电测速电路对电动机的转速进行测量,将
测量的结果送给单片机,单片机处理后送到 4 位数码管上进行显示。
电源部分给单片机以及各电路供电,本系统电动机驱动部分和单片机等数
字器件分开供电,单片机等数字器件用+5V 电源,电动机用+7.2V 电源。这样
分开供电,避免了电动机对单片机等数字芯片及器件的干扰。有利于提高系统
的稳定性。
(二) 电源电路设计
电动机驱动系统中,供电电源为系统的正常工作提供能源,本系统主要是
采用 5V 电源给单片机供电,12V 电源给电动机供电,直流电主要是市电通过整
流,滤波,稳压得到 5V 直流电源以及 12V 电源,其原理图如图 1-2。
图 1-2 5V 供电电路和 12V 供电电路
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