EDA直流电机设计

1、K2c课程设计（论文）任务书年级专业07电子信息工程学生姓名学 号题目名称直流电机控制器的设计设计时间课程名称综合电子设计课程编号131300109设计地点实验楼5530一、 课程设计（论文）目的本课程设计一个直流电机控制装置，可以实现对直流电机的启动、停止以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的通过LCD液晶显示器读出电机的转向和转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制，实现其是在化工领域的广泛应用。 二、已知技术参数和条件1具备的条件1）具有PROTEUS电子设计平台；2）具有单片机硬件实验平台；3）可供参考的资料较全；2控制对象5V微型直流电机，功率为10W。三、 任务和要求1、 功能要求具有正、反转、停止功能，速度要求在线可调2、设计要求以单片机为控制核心，实现硬件电路的设计、程序设计，并在PROTEUS平台实现仿真；课程设计论文内容正确，结构合理。注：1此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；2此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）1、现有的理论基础 系统学习了模拟电子技

2、术、数字电子技术、电路、单片机原理与应用、C语言程序设计等电子信息专业相关课程，具备了设计该课题的理论基础。2、具备课题开发的实验条件1）硬件方面：个人计算机、单片机实验箱、单片机学习装置、调试及制作工具。2）软件方面：PROTEUS仿真软件，WAVE软件KEIL相关软件。五、进度安排2010.1.04：组织开会，明确课题，下达课题任务书，宣布课程设计的要求和具体的措施。2010.1.05至2010.1.06：调研、查找资料。2010.1.07：方案设计；2010.1.08至2010.1.09：电路设计；2010.1.10至2010.1.12：程序设计及电路仿真；2010.1.13：仿真结果验收；2010.1.14至2010.1.15：撰写课程设计报告；六、教研室审批意见教研室主任（签字）： 年 月 日七|、主管教学主任意见 主管主任（签字）： 年 月 日八、备注指导教师（签字）： 学生（签字）：课程设计（论文）评阅表学生姓名 学 号 系 信息工程系 专业班级 题目名称 直流电机控制器的设计 课程名称 综合电子设计 一、学生自我总结 学生签名： 年 月 日二、指导教师评定评分项目综合成

3、绩权 重单项成绩指导教师评语： 指导教师（签名）： 年 月 日注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。摘要介绍一种单片机（如89C51型）在直流电动机转速控制系统中的应用、实现方法以及硬件结构等。直流电动机转速控制系统采用了元器件测量电动机的转速，用此种单片机对直流电动机的转速进行了控制，用LCD液晶显示实现输出模拟电压值来控制直流电动机的转速。由于直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在大范围内平滑调速，因此在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。而且，从控制的角度来看，直流调速还是交流拖的动系统的基础，早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，由运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使许多控制动能及算法可以采用软件技术来完成，不但为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，而且使系统能达到了更高的

4、性能，从而大大节约了人力资源，降低了系统成本，有效地提高了工作效率。关键词：单片机 直流电机 转速控制 PWM目录1前言12方案设计12.1 设计要求12.2 工程方案13电路设计23.1 直流电机结构23.2 直流电机的工作原理23.3 直流电机PMW调速原理33.4 电机驱动模块的电路设计54 实验平台54.1 运行环境54.2 开发工具5程序设计65.1 程序流程设计65.2 程序详细设计7系统仿真77 总结与体会10参考文献资料10附录111前言随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，

5、直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。2方案设计2.1设计要求本课程设计一个直流电机控制装置，可以实现对直流电机的启动、停止以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的通过LCD液晶显示器读出电机的转向和转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制，实现其是在化工领域的广泛应用。2.2工程方案直流电机PWM控制系统的主要功能包括：直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的智能控制。其间，还包括直流电机的直接清零、启动（置数）、暂停、连续功能。该直流电机系统由以下电路模块组成：振荡器和时钟电路：这部分电路主要由80C51单片机和一些电容、晶振组成。设计输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现。设计控制部分：主要由80C51单片机的外部中断扩展电路组成。设计显示部分：包括液晶显示部分和LED数码显示部分。液晶显示部分由1602LCD液晶显示模块组成; LED数码显示部分由七段数码显示管组成。直

6、流电机PWM控制实现部分：主要由一些二极管、电机和L298直流电机驱动模块组成，如图2.1所示。图2.1 设计原理图 AT89C51直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机AT89C51直流电机驱动模块直流电机加速控制端减速控制端正转控制端反转控制端停止控制端LCD液晶显示P0口P2口P1口单片机图2.1 PMW直流电机设计框图3 电路设计3.1 直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图3.1所示。图3.1 直流电动机结构3.2 直流电机的工作原理直流电机电路模型如图3.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图3.2 直流电动机电路模型3.3直流电机PMW调速原理直流电机转速直流电机的数学

7、模型可用图3.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图3.3 直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1： U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce 式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，是磁通量。由1.1式和1.2式得 n =Ea/Ce 式1.3 由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。 PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为3.4所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。 图3.4 施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为： U平=UD 式1.4由式1.3得到：n =Ea/CeUD/ Ce=KD 在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ Ce，是常数。图3.5为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图3.5 占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。由此可见，改变施加在电枢两端电压就能改变电机的转速成，这就是直流电机PWM调速原理。3.4 电机驱动模块的电路设计根据直流电机的工作原理，选用L298芯片来构成的基本电路结构。从P

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