简易直流电机pwm调速控制系统
摘 要本文主要的研究以MCS_51系列的单片机来对占空比信号进行控制进而实现控制DC电机转速的方法，并围绕PWM信号的产生原理、产生方法及怎样运用软件编程调控PWM信号的占空比以实现对其输入信号波形进行控制等内容进行全面论述。此外，本系统选用霍尔元件作为工具测量直流电机转速，并进行相关处理，然后向液晶显示输出测量值。
Keywords: PWM signal; DC motor; liquid crystal display; Hall element 目录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.1.2 开发背景 1
1.1.3 选题意义 1
1.2 研究方法及调速原理 2
1.2.1 直流调速系统实现方式 3
1.2.2 控制程序的设计 4
2 系统硬件电路的设计 5
2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 5
2.2 STC89C51单片机简介 5
2.2.1 STC89C51单片机的组成 5
2.2.2 STC89C51单片机引脚图 6
3 PWM信号发生电路设计 7
3.1 PWM的基本原理 7
3.2 系统的硬件电路设计与分析 7
3.3 H桥的驱动电路设计方案 7
4 主电路设计 9
4.1 单片机最小系统 9
4.2 液晶电路 9
4.3 按键电路 10
4.4 霍尔元件电路 11
5 系统调试与存在的问题 12
5.1 仿真测试 12
5.2 软件调试 12
总结 16
致谢 17
参考文献 18
附录一：主程序 19
附录二：原理图 31
附录三：仿真图 32
1 引言
1.1 课题背景
1.1.2 开发背景
在家用电器、自动控制系统、电子玩具、电子仪器设备等现代电子产品中，直流电机的应用极为广泛。不管是日常生活中常用的录像机、录音机或是电子计算机、电唱 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
机等，均需要使用直流电机。因此能够看出直流电机控制是实用性较高的技术之一。直流电机可分为以下四类：伺服电机、 几相绕组步进电机、两相低电压交流电机、永磁式换流器直流电机。
直流电机有以下特点：转速控制简单、启动转矩大、调速效率高、最大转矩大。相较于交流电机，直流电机有更为复杂的结构，生产需要更高成本且维护有更大工作量。在矢量控制技术越加完善的背景下，加之大功率晶体管的应用，极大地推动矢量控制变频技术的发展，由此实现多功率、多类型的变频调速装置的样子，且广泛的应用于工业领域。直流调速器有以下应用领域：实验器材 、造纸印刷、雷达设备、纺织印染、通讯设备、光缆设备、医疗设备、电工技术设备、车辆工程、食品加工机械、输送设备、橡胶加工机械、轻工业、生物制药设备、特种加工、电路板设备等。随着高性能交流传动有不断提升的应用比重，取代直流传动，使用调速交流传动应用于工业生产领域已然是历史必然选择。
虽然如此，笔者以为对电子专业的学生而言，进行直流电机调速系统的设计，不管是实践层面或是学习层面，都能够发挥其有效性，对学生学习积极性的提升有显著效果。
1.1.3 选题意义
直流电机的起、制动性能突出，不仅能够在大范围内实现平滑调速，且能够广泛应用到需正反向或调速的众多电力拖动领域。基于控制视角而言，在交流拖动系统中直流调速更是发挥着基础性作用。初期研制的控制系统如非线性的集成电路、各类运算放大器、一些数字电路等基本都以模拟电路作为基础，上述这些控制系统的硬件部分更为复杂且功能更为单一，而软件系统则不具有较强的灵活性、调试难度大，对直流电机调速技术的应用与发展产生极大影响。在单片机控制技术发展迅猛的背景下，实现了大量的控制软件及控制功能算法，为直流电机调速控制的发展提供更为广泛的空间，并使得系统性能更为强大。使用单片机进行控制系统的构建，能够使得系统成本得到减少及人力资源有所节约，从而实现效率的大幅提升。
传统系统所使用的模拟元器件，虽然能够保障生产的需要，却因为元器件存在的抗干扰性较低、元件易老化等缺点，加之其有较为复杂的线路，使得温度、器件性能等会对控制效果产生作用，难以有效保障系统的准确性与运行可靠性，甚至有发生事故的可能。
现阶段，数字化直流电机调速系统已逐步应用于实际，在如今技术飞速发展的大背景下，推动了DC电机调速发展，实现其从模拟向数字化的快速转变，尤其得益于成熟的单片机技术，使得直流电机调速技术步入高可靠性、智能化的发展方向。因此，无论对我们的社会生活或企业生产项目，实现直流无级调速均有着极大的意义。
1.2 研究方法及调速原理
依励磁方式的差异，可以划分直流电动机为以下两类：他励、自励。励磁方式不同，相应地其机械特性曲线也会存在部分差异。直流电动机有以下转速控制公式：
n=U/CcTR内/CrCc （式11）
式内： U—电压； Cc—电势常数；—励磁绕组电阻；Cr—转矩常量；—磁通(Wb)。
通过以上公式能够看出，直流电机采用以下两种方法实现速度控制：磁场控制法、电枢控制法。对上述两种方法的优劣性进行比较，其中磁场控制法有相对较小的控制功率，低速转动状态受磁极饱和限制的状况显著，而高速转动状态则受限于换向器与换向火花结构，因此磁场控制法不适用；在电机调速中，电枢控制法是应用较为广泛的方法。直流电动机有多种类型的结构，然而不管是何种直流电机，其必然存在转子部分与定子部分，两者间保持有一定尺寸的气隙，以使得磁场与电路能够在电机内部进行相对的运动。DC电机定子部分组成有电刷设备、磁极、换向极部分等，转子的组成部分有转轴、换向器、电枢绕组等，具体可见下图11：
Keywords: PWM signal; DC motor; liquid crystal display; Hall element 目录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.1.2 开发背景 1
1.1.3 选题意义 1
1.2 研究方法及调速原理 2
1.2.1 直流调速系统实现方式 3
1.2.2 控制程序的设计 4
2 系统硬件电路的设计 5
2.1 系统总体设计框图及单片机系统的设计 5
2.2 STC89C51单片机简介 5
2.2.1 STC89C51单片机的组成 5
2.2.2 STC89C51单片机引脚图 6
3 PWM信号发生电路设计 7
3.1 PWM的基本原理 7
3.2 系统的硬件电路设计与分析 7
3.3 H桥的驱动电路设计方案 7
4 主电路设计 9
4.1 单片机最小系统 9
4.2 液晶电路 9
4.3 按键电路 10
4.4 霍尔元件电路 11
5 系统调试与存在的问题 12
5.1 仿真测试 12
5.2 软件调试 12
总结 16
致谢 17
参考文献 18
附录一：主程序 19
附录二：原理图 31
附录三：仿真图 32
1 引言
1.1 课题背景
1.1.2 开发背景
在家用电器、自动控制系统、电子玩具、电子仪器设备等现代电子产品中，直流电机的应用极为广泛。不管是日常生活中常用的录像机、录音机或是电子计算机、电唱 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
机等，均需要使用直流电机。因此能够看出直流电机控制是实用性较高的技术之一。直流电机可分为以下四类：伺服电机、 几相绕组步进电机、两相低电压交流电机、永磁式换流器直流电机。
直流电机有以下特点：转速控制简单、启动转矩大、调速效率高、最大转矩大。相较于交流电机，直流电机有更为复杂的结构，生产需要更高成本且维护有更大工作量。在矢量控制技术越加完善的背景下，加之大功率晶体管的应用，极大地推动矢量控制变频技术的发展，由此实现多功率、多类型的变频调速装置的样子，且广泛的应用于工业领域。直流调速器有以下应用领域：实验器材 、造纸印刷、雷达设备、纺织印染、通讯设备、光缆设备、医疗设备、电工技术设备、车辆工程、食品加工机械、输送设备、橡胶加工机械、轻工业、生物制药设备、特种加工、电路板设备等。随着高性能交流传动有不断提升的应用比重，取代直流传动，使用调速交流传动应用于工业生产领域已然是历史必然选择。
虽然如此，笔者以为对电子专业的学生而言，进行直流电机调速系统的设计，不管是实践层面或是学习层面，都能够发挥其有效性，对学生学习积极性的提升有显著效果。
1.1.3 选题意义
直流电机的起、制动性能突出，不仅能够在大范围内实现平滑调速，且能够广泛应用到需正反向或调速的众多电力拖动领域。基于控制视角而言，在交流拖动系统中直流调速更是发挥着基础性作用。初期研制的控制系统如非线性的集成电路、各类运算放大器、一些数字电路等基本都以模拟电路作为基础，上述这些控制系统的硬件部分更为复杂且功能更为单一，而软件系统则不具有较强的灵活性、调试难度大，对直流电机调速技术的应用与发展产生极大影响。在单片机控制技术发展迅猛的背景下，实现了大量的控制软件及控制功能算法，为直流电机调速控制的发展提供更为广泛的空间，并使得系统性能更为强大。使用单片机进行控制系统的构建，能够使得系统成本得到减少及人力资源有所节约，从而实现效率的大幅提升。
传统系统所使用的模拟元器件，虽然能够保障生产的需要，却因为元器件存在的抗干扰性较低、元件易老化等缺点，加之其有较为复杂的线路，使得温度、器件性能等会对控制效果产生作用，难以有效保障系统的准确性与运行可靠性，甚至有发生事故的可能。
现阶段，数字化直流电机调速系统已逐步应用于实际，在如今技术飞速发展的大背景下，推动了DC电机调速发展，实现其从模拟向数字化的快速转变，尤其得益于成熟的单片机技术，使得直流电机调速技术步入高可靠性、智能化的发展方向。因此，无论对我们的社会生活或企业生产项目，实现直流无级调速均有着极大的意义。
1.2 研究方法及调速原理
依励磁方式的差异，可以划分直流电动机为以下两类：他励、自励。励磁方式不同，相应地其机械特性曲线也会存在部分差异。直流电动机有以下转速控制公式：
n=U/CcTR内/CrCc （式11）
式内： U—电压； Cc—电势常数；—励磁绕组电阻；Cr—转矩常量；—磁通(Wb)。
通过以上公式能够看出，直流电机采用以下两种方法实现速度控制：磁场控制法、电枢控制法。对上述两种方法的优劣性进行比较，其中磁场控制法有相对较小的控制功率，低速转动状态受磁极饱和限制的状况显著，而高速转动状态则受限于换向器与换向火花结构，因此磁场控制法不适用；在电机调速中，电枢控制法是应用较为广泛的方法。直流电动机有多种类型的结构，然而不管是何种直流电机，其必然存在转子部分与定子部分，两者间保持有一定尺寸的气隙，以使得磁场与电路能够在电机内部进行相对的运动。DC电机定子部分组成有电刷设备、磁极、换向极部分等，转子的组成部分有转轴、换向器、电枢绕组等，具体可见下图11：
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