直流电机控制系统设计

　摘要

当今社会，电力电子技术受到了各个行业的青睐，而直流电机因为具备诸多优点，比如制动、启动性能优异等，在众多领域的机电系统中得到了充分运用，总之，它已经渗入到我们的日常生活中。现今大部分工厂还在采用传统控制电机的方法生产作业，其效率并不高，笔者以单片机为基础，以直流电机控制系统为设计对象，对其进行优化设计，该设计以单片机为主控芯片，采用软件的方式产生PWM(Pulse Width Modulation)控制信号来控制直流电机的启动和停止；采用增量式PID控制算法调节电机速度。为了能方便的调节电机速度，利用了proteus软件进行了仿真，实验仿真表明，在对该系统进行优化设计后，其不但拥有更加稳定的性能，而且也能够实现精准控制的目标。

【关键词】单片机PWM 直流电机 PID控制算法

绪论

1.1单片机的演变

单片机最初的设计理念就是想把系统变得更微型，更容易集成大型设备。相较发展之下更加出色的单片机有INTEL的8031，随之演变出来了MCS51系列单片机。51系列单片机在各种各样的场合中都被广泛使用，单片机的发展进一步的提升了电子学科和自动化技术的发展和应用。例如，本科阶段我们都会先学习《模拟与数字电路》，《单片机原理》等课程，然后学习单片机的实践操作。

能够发现，当微控制器类型不同之时，其软、硬件特性也存在较大区别。也就是说，他们的技术能力是不一样的。具体来讲，微控制器芯片结构能够决定其具备怎样的硬件功能，若是用户需要使用的微控制器属于特定产品，其必须对产品能不能令其需求得到满足足够清楚，同时也必须对系统特性指标足够了解，经分析可知，系统技术特性内容十分丰富，比如电气、功能特性等，要想了解这方面的信息并不困难，只需翻阅制造商手册即可。而其软件特性，则主要包括两方面内容，首先是其开发环境；其次是其指挥系统特性。而所谓命令功能，其不但指微处理器电源要求，同时还指寻址模式等内容。

此外，单片机技术与我们的生活息息相关，它可以与各种嵌入式系统完全集成。例如，它可以在智能手机、报警设备、儿童玩具、家电、汽车行业等中找到。如今，单片机的演进越来越丰富，由于其通用性、低能耗、稳定性强、便携性、内置电路等优势，受到人们的喜爱，丰富了我们的设计。

1.2设计的目的与意义

随着时间的推移，对单片机的出现和应用，让以前的直流电机在原理、功能、功耗、可靠性等方面都有了很大的进步。这种设计采用了AT89C51单片机，并且是以它为核心的。系统主电路的设计使用了H桥单极式电路则作为要把功率进行放大处理的电路结构,负责输入以及对直流电机方向、速度等进行控制的是则是键盘；这次设计我将要用大功率的GTR作为开关控制器件来完成所需要求。此次在对电机进行控制之时，选择的技术为PWM 技术，同时笔者还借助它展开占空比计算，以实现精确的速度调节。在此次设计工作中，使用了许多原理，比如H桥电路实现原理以及PWM技术原理等。最后则是电路仿真工作，在仿真工作中使用的软件为PROTEUS软件，然后得到了仿真的结果。基于此，我选了“直流电机控制系统设计”这个课题，既是对大学所学专业课程的一个具体应用，也对我自身也起到了很大的教育作用，让我明白了对专业知识的欠缺，今后针对不足也可以尽力弥补。又能更好的掌握如何利用单片机控制直流电机进而控制电路系统的方法。

1.3直流电机控制系统概述

1.3.1直流电机工作的基本原理

直流电动机，一直以来都是被中国作为换能器来使用的。能够发现，利用电磁力，不少直流电机能够形成方向固定的转矩，然后以此达到持续不断旋转运动的，图1.1是其物理模型。选择直流电机为研究对象进行研究能够发现，其工作原理为：直流电源借助电刷和电枢绕组相连，如此电枢导体就能够获得电流。因有磁场存在于电机内部，在电磁力的影响下，转子会转动起来，促使电机得以运行。

经分析可知，电机电枢电路不但并不具备多大的电感，而且电阻也不大，其转动体的机械惯性较为明显，所以当电机启动时，不论是电枢转速，还是其反电动势都会下降，而与之相法的，便是其启动电流会越来越大，通常和额定电流相比，其会高出十几倍。

当电网中通过这类电流之时，不但会有机械冲击作用于机组，同时换向器也会有火花出现。由此可以得到这样一个结论：只有电机在四千瓦及以下之时，才适用直接合闸起动这一方式。

通常为了对启动电流进行限制，会运用串联的手段将电枢电路和一类设备相连，那就是可变电阻器。当将电机启动时，其转速会越来越大，各其各段电阻会根据电流情况分阶段出现短路现象，如此就达到了限制启动电流的目的。此类手段便是人们常说的串联电阻启动，由于其并不复杂，所以在一些规模不大的直流电机中具备较高的使用频率。

而对于规模较大的直流电机，或者启动频率较高的电机而言，因为启动之时需要耗能较高，所以其在这些电机面前并不具备适用性。当然在一些特殊需求中，比如城市有轨电车运行中，此类手段对于降低设备重量，为维护工作提供方便等十分有利，因此也很受青睐。

图1.1直流电机的物理模型图

1.3.2H桥电机驱动电路

利用PWM来进行调速，实际上就是把波形作为使用端，为此我们要非常熟悉电路模块的设计，并对其进行研究，了解，方便我们对模块的设计奠定基础。

图1.3 H桥式电机驱动电路

上图是H桥电机的驱动电路图。因为它的形状类似于 H，这便是其称呼的由来。中间的单杠是主要作用的地方。该示意图由一个电机和四个三极管组成。 （上图和下两张图是原理图。）经分析可知，在H桥电机驱动电路里，主要有两类元件，一类为电机；一类为晶体管，其数量分别为1、4个。如果想要对引擎进行驱动，您需要对角创建一对三极管，按照各企业晶体管对连续性情况，电流数据会慢慢流过电机，以达到对电机转向进行控制的目的。

图1.4 H桥式驱动电机顺时针转动

通过图1.4能够发现，如果导通管Q1、Q4，电流方向为正极→Q1，Q4→负极，在这种情况下，电流会控制电机旋转方向，令其变为顺时针方向。如果导通管Q2、Q3，电机又会反向旋转，也就是逆时针转动。

图1.5 H桥式驱动电机逆时针转动

二、系统硬件电路设计

从结构上来看，硬件电路包含四类电路，除了复位和时钟电路外，便是驱动和信号电路。对于驱动系统而言，其电路工业结构为：一是功放电路，选择的是H桥电路；二是可控开关控制元件，选择的是GTR。对于控制单元而言，其编程控制运用的是汇编语言，H电路GTR启闭由AT89C51定时器来控制，同时它还可以控制电机转速。

2.1 时钟电路

在这类电路中，不论是电容C1，还是电容C2，其典型值确定成30pF附近即可。尽管在选择它的外部电容器之时，并没有对其大小尺寸有什么规定，然而不得不注意的是，其大小会令振荡器频率以及稳定性等都受到较大影响，而振荡器频率又和系统时钟频率成正比关系，和单片机运行速度成正比关系。

图2.1时钟电路

此次设计两类元件，一是微调电容器两个，分别用C1、C2表示，材质为陶瓷，其值为30pF；二是内部时钟，其频率达到12兆赫。如果想要指导其时钟管理系统以及控制芯片技术的运行是否正常，能够采取的手段有许多，复杂度最低的就是借助万用表来对单片机晶振引脚对地电压进行检测，晶振引脚有两个，通常情况下，其对地电压分别为2.24、2.09V。

2.2 复位电路

初始化PC机，令其变为0000H单元便是复位的作用所在，当单片机被复位后，其就能够从0000H开始运转。实际上，复位除了上述作用外，还有一个作用，那就是若因为操作存在问题或者程序运行出现问题而导致系统崩溃，也可以通过复位这一方式来走出困境。

图2.2复位电路

刚开始将复位电路通电时，其中一个电容处于无电状态，此时其电阻阻值也不高，而在通电(5V)一段时间后，电容两端电会不断提升，直到达到4V，此时复位脚点为会发生变化，具体而言，是由低到高，从而导致电路复位系统开始运行，这便是初始化完成复位。等找到复位键并将其按下后，电容器两端会有放电现象出现，促使电容器返回0V，此时再进行复位，手动复位原理便是如此。

在运用手动复位这一方式进行复位操作之时，若单片机未能正常运行可能是复位电路有问题而导致的，则可借助模拟系统复位这一手段来分析是否是此原因，其具体操作为：当单片机运行正常时，其第9脚对地电压是“0”，此时可以将+5V和导线相连（相连时间不要太长），从而实现对上电复位现象的模拟，若其正常运行受到影响，就表明复位电路确有故障存在，为了令复位足够安全，足够可靠，在进行初始化程序的设计之时，需要进行延迟时间的设置。

2.3 信号输入电路

通过对独立键进行分析可知，其各自独立存在，都和对应的输入线相连。各行键运行状态互不影响，因此要想知道按下的键是哪个，只需要对输入线电平情况进行检测即可。能够分析，独立式按键电路拥有许多优点，比如软件设计复杂度并不高，能够进行灵活配置等，但必须注意的是，各键都需要有专门的输入线，所以当存在许多键时，会令电路结构复杂度显著提升，由此可见，只有在两类情况下，键盘才具备适用性，这两类情况一是并没有多少键；二是要求较高的操作速度。

处理键抖动问题。通常在按下键之时，不可避免地会有抖动现象出现，而要抗抖动，能够运用的手段有许多，其中复杂度最低的手段为：检测有按下键这一情况时，先延迟十几毫秒，再展开“行扫描”操作，或者当数据显示子程序存在于系统中时，通过对此程序进行调用，也能够将键抖动问题处理掉。

图2.3控制输入电路

2.4电机PWM驱动模块的电路

此电路结构由两部分构成，一是功率放大器（其选择的是H桥电路）；二是开关元件（其选择的是GTR）。在图2中，将其中的GTR分成VT1、VT4和VT2、VT3两组。同一组的可以同时通/断，而且两组可交替通/断。

此处借助周期矩形信号来控制电机的驱动信号。经分析可知，电机转速的影响因素有许多，脉冲频率便是其中的一种，若这一频率较高，对于电机连续性而言更为有利，反之则会影响到电机的一类能力，那就是负载能力。实验表明，如果这一频率超过40赫兹，电机转动会进入比较平稳的状态，然而如果在这种时候提升其负载，其运转速度便会变慢，甚至在达到一定程度后会慢慢停下来。如果这一频率不超过10赫兹，电机在转动过程中会有跳动的情况出现，如果想要避免这类情况，就需要按照电机具体性能来对其展开调节。由P2.6输入数据信号和低电平，同时由P2.7对低电平进行输入/出，如此便可以对电机的转动方向进行控制，而要想对电机速度进行调整，就必须运用到信号占空比，当需要小幅度的调整转速之时，只需要小幅度的对占空比进行调整即可达到目的。

需要注意的是，在对H桥电路进行搭建之时，如果选择的是孤立元件，很容易有击穿问题出现（即同时导通Q1（Q3）、Q2（Q4））。若想要尽可能避免这类现象的出现，对芯片进行运用是不错的手段，通常像L297、L298等驱动芯片的使用频率都很高。

3.系统的软件设计

      3.1程序框架结构

在设计系统软件之时，连接硬件电路是必须要做的。而当电路设计达到高度模块化的效果之时，其软件设计也必然具备这一特征。如果想要令此次设计相关功能要求得到充分满足，就必须要慎重设计。首先应该考虑调整该设计的软件和硬件。否则会浪费资源，增加软件实现的难度，会出现信号故障，由它们组成的系统将无法运行。由此可见，在开展设计工作之时，必须先对两方面进行考虑，从而令信号转换目标能够实现，这两方面首先是接口兼容性；其次是软件以及硬件的处理能力。

整体软件设计是通过各个模块的集成实现的，系统最终完成的功能机器程序结构包括电源模块，MCU模块，处理子程序等，还必须包括各个子程序的部分。大致原理图如下图所示：

3.2 编程设计

通过键盘往单片机中进行控制指令的输入，此时借助P2.6、P2.7，单片机能够完成相应PWM脉冲的输出，此时另一方再进行高电平的输出，如此就能够对电路的速度以及转向进行控制。从结构来看，软件主要涉及到三类程序，除了中断处理以及键盘扫描程序外，便是主程序。键寄存器、闪烁寄存器地址分别为01H、0CH，它们的复位值分别是00H、0111B，前者的键指的是键值，若是key的值为0，就表示其并未被按下，后者的高、低四位分别指的是闪烁时亮、灭所用的时间，若对其值进行调整，便会闪烁出现频率发生变化。此处key值可以选择0—13的整数，数值键为0—9，同时由10对应正转控制，11与12对应反转以及停止控制，确认键则为13.

4、单片机系统综合调试

4.1 PROTEUS设计与仿真平台

作为仿真分析软件，Proteus软件的操作系统十分完善，借助其进行仿真设计，深受老师和学生的喜爱，现在已经被大量推广，它的功能模块，举例而言，比如像ARES模块，其作用为设计PCB，比如像ISIS模块，其作用为对电路工作原理图进行仿真。能够发现，当前在对MCU外围器件进行模拟之时，能够运用的工具有许多，Proteus软件作为优异。究其缘由，则是因为其能够对许多MCU芯片如AVR系列、PIC系列等普通MCU,以及LCD、RAM、ROM等MCU外围电路进行模拟。借助此软件，要想获得拥有完备功能的单片机实验室并不困难。

4.2 仿真结果与分析

启动仿真后，初始状态

图4.1上电图

将启停按钮按下，此时电机开始运行，运行方向为顺时针方向，此时Q5、Q6一端分别为低电平、PWM信号（能够变化），它们能够对电机转速进行控制。若找到方向按钮，并将其按下，就会改变电机转向，其具体情况见图4.3。在这种情况下，低电平、PWM信号（能够变化）分别在Q6、Q5的一端，若找到启停键，并将其按下，此时电机转动便会停止，其状态也会恢复到和图4.1一样。

图4.3启动状态（电机逆时针转动）

在图4.2中，当电机转动方向为顺时针方向之时，便可展开pwm波形的测量工作，并且这个波形是要在p3.7处测才符合要求，此时需要找到减速键，并将其按下，当cot0=0ah=10之时，电机速度达到1档，不会再下降，图4.4显示了示波器的具体情况。

图4.4减速后P3.7波形（COT0=10）

同样的，如果一直按动加速键直到COT1=0AH＝10后，我们就可以看到如下图所示的最高值，这个时候我们就不必再按动加速键了，此时的速度相当于11档的速度。

图4.5 加速后P3.7波形（COT1=10）

在KeilC中，初始值与不同时间段的计时器的值相结合再进行计数。

五、总结与展望

对于本科生而言，毕业设计十分重要，这是我们最后一项非常重要的任务，所以我们要认真对待。而经过一番努力，我之所以可以顺利将毕业设计完成，离不开何红梅老师的指导，离不开朋友们的陪伴和支持，在此再一次向何老师以及给予我帮助的所有老师，朋友们表示衷心的感谢，通过此次论文的写作，使我获得颇多的感受和收获。

首先，一定的知识基础和选题是写毕业论文的重中之中，毕业论文是对专业知识学习的总结，也是对四年所学知识的应用和检测，所以我们应该认真对待。所以在选题的阶段，我选择了《直流电机控制系统设计》这个课题做我的研究对象。经过何老师写前给我们开的指导会议，于是怀着一颗激动的心情，我开始了我的写论文之路。

当一个人最开始做一件事的时候往往是没有头绪的。于是我就查找了很多有关于直流电机的资料再结合自己的思考和老师的指导，完成了开题报告和文献综述。之后，我常常看与此有关的文献综述及其视频资料，为顺利完成论文收集资料。正式开始写我才发现这不仅仅只是一篇论文，更是我大学四年所学专业知识的一个体现。我感觉我对专业知识还是有所欠缺，由此也对我的知识体系有更深的了解。因此此处也必须对学校表示谢意，在毕业之际，我一定尽我所能完成大学的最后一个任务，交一份满意的答卷。

参考文献

[1]胡伶俐,何建铵,欧汉福,张芳.单片机技术基础与应用[M].:中等职业教育电子与信息技术专业系列教材,201503.

[2]赵开理.基于单片机设计直流电机控制系统[D].南京邮电大学,2017.

[3]李美艳.基于单片机的直流电机调速系统的设计[J].电子设计工程,2016,24(22):158-160.

[4]宋晓伟,樊战亭,田锐.直流电动机PID转速控制系统设计[J].科技创新与应用,2018,(13):53-54.

[5]张成法,郭芳,贾会祥.基于单片机的直流电机控制风扇系统设计[J].时代农机,2016,43(11):59-60.

[6]郭刚花,李莲英.研究单片机的直流电机控制要点[J].数字技术与应用,2016(02):29.

[7]余丹.单片机系统软件仿真的设计与实现[J].湖北农机化,2019,(24):152.

[8]高珮文,李乾坤,刘圣荇,王皓,吴旭鑫.基于Proteus的无刷直流电机控制系统设计[J].电工电气,2023(05):17-21.

[9]孙万麟.Proteus软件应用于技术类课程的电路设计及仿真[J].微型电脑应用,2023,37(07):63-66.

[10]齐忠琪,刘楚湘.手工制作PCB方法及产品电气特性分析[J].中国教育技术装备,2011(30):103-105.

致谢

逝者如斯，不分昼夜，变的是岁月，不变的是我们。不久我们将结束这段短暂而又美好的时光，即使心中有万分的不舍但也无可奈何。回首这段短暂的学习之旅，我有时快乐，有时忧愁，感谢命运的安排，我认识了很多好老师和好朋友。他们教会了我如何享受生活，如何过上更好的生活。这段时间感觉自己成长了很多，我觉得生活到处都是车站，到站了我们就该下车了，也是时候告别了。在此，我要向所有帮助过我的人表示衷心的感谢。

首先，在这里我要衷心地感谢为我们尽心尽力的辅导员老师，因为有你的陪伴我们的大学生活才这般的开心和顺利。不管我们有什么困难老师都竭尽所能为我们解决困难，鼓励我们，同时对我们进行教导。还必须对该院其他老师表示感谢，老师们不但知识渊博，而且治学严谨，堪称我辈榜样。实际上，除了课本上的知识以外，老师也教会了我许多人生道理。我们能顺利毕业很大部分离不开老师的努力，我们将永远的记得老师的恩情。

其次，饮其流时思起源，成吾学时念吾恩。谨向我尊敬的论文指导老师致以真诚的谢意。我的指导老师多次为我们这些新手开会，老师教我们怎么写，格式怎么用，写好了之后又接着给我们每个人尽心尽力的修改和提供改进意见。在此，我很感谢何老师对我的课题的指点迷津。让我可以圆满的交上一份毕业答卷。

最后，感谢学校为我们提供学习的平台，让我们学习专业知识，为以后走上社会奠定基础，也让我学会了遇到不会的一定要虚心求教别人，不断反思。出了学校也要不断的提升自己，以便更好的回馈社会。

直流电机控制系统设计

价格 ¥9.90 发布时间 2022年11月19日

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