proteus仿真的直流电机调速系统设计(附件)
为了研究直流电机调速系统的控制原理,降低在开发阶段的费用，提升直流电机在控制速度和方向等方面的精度。在系统中，控制芯片为80C51，输入方式为独立键盘输入，以PWM调速控制作为主要的控制方式，以此控制直流电机的运转与停止，充分发挥电机和系统的系能，其中还包括对速度和方向控制的研究，最终实现该研究的基本要求。主要是运用Proteus软件进行建模仿真，然后对模型进行调试，采集数据对比。仿真的结果展示了PWM调速系统的优势，不仅具有高精度控制的优点，而且还有反应快速的优点。同时，运用仿真软件进行研究也有许多好处，可以有效地节约开发的成本,缩短研发周期,做到一举多得。关键词 直流电机，调速系统，PWM，Proteus
目录
1 绪论 2
1．1 设计的背景及意义 2
1．2 行业发展的现状 3
2 直流电机的结构与原理 4
2．1 直流电机的结构 4
2．2 直流电机的原理 5
3 系统的总体设计 7
3.1 电机调速控制模块 7
3.2 PWM调速控制方式 8
3.3 PWM软件实现方式 8
4 系统的硬件设计 8
4.1 系统的硬件设计原理 9
4.2 仿真时需要的元器件 10
5 系统的其他电路设计 13
5.1 复位电路 13
5.2 按键电路 14
5.3 液晶电路 14
5.4 时钟电路 15
6 电路仿真 15
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪论
1．1 设计的背景及意义
现如今，计算机行业与工业越来越完善，直流电机的发展和控制技术也趋于完备。直流电机的发明在许多不同领域发挥了重要作用。将直流电能变更为机械能的电机被称为直流电动机，与之相反的被称为直流发电机。它是一种马达，特点是进行能量之间的转化，即直流电能和机械能。直流电机无论在启动时还是在制动时，它的转矩都很大，而且速度调节的范围也广，调速的方式平滑。在高速需求领域，受到众多企业的青睐[1]。在过去，调速方法有弱磁调速、电枢回 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
路串联电阻，这些是直流电机的主要控制方式，但是在许多方面存在缺欠，如动态响应慢、精度不高。这几年来，随着制造电机的材料成本的降低、制造业以及计算机技术的发展，人们渴望能够通过计算机对直流电机进行精密的检测和精确的控制，现在新技术已经实现 。此外，新技术拥有的特点是调速精度变高了，响应速度变快乐和消耗能量更低了，已经成为当下主流的控制方式。现如今，直流电机在各个领域都进行了完善，同时涉及的领域也越来越宽广，发展前景也越来越值得人们关注。
当下，许多种类的新型电机都是电机本体与控制器的结合体，将电机加上控制器装置后，提高了技术含量，提高了企业收益，同时,随着劳动密集型和物质密集型的发展,汽车生产的现状将被消除。与传统电机相比，控制电机将电机技术、控制技术与机械技术结合起来，提高了产品的整体性能。
随着现代工业控制对象的日益复杂，对电机控制的技术要求不断提高。利用计算机的智能控制，人为的控制电机转速、方向，在电机允许的负载条件下，可以使电机的一直处于最佳的工作状态 [2]。直流电机的调速控制在当下越来越重要，具有很大的潜能，值得人们做深入地研究。
直流电机的探索有：第一，没有机械转子位置传感器进行控制它。因为转子位置传感器十分薄弱，带来好处的同时也存在许多隐患。转子位置传感器制造复杂，成本上升；系统部件增多，复杂性提升，再由于其本身的特点，还会影响系统可靠性和抵抗干扰的能力，也占据了系统一部分空间。第二是转矩脉动控制,无刷直流电机具有转矩脉动，尤其是随着转速的增加,换相更加会加重转矩脉动，平均转矩更会明显地降低。如何削减转矩脉动是优化电机性能的一个研究方向[3]。第三是智能控制，智能控制理论的应用符合当前发展的情况，在新的信息技术和控制理论繁荣的情况下，在运动控制领域必有极大的影响。
使用Proteus软件建模仿真有许多优势。Proteus是一款电子自动化设计工具。软件里可以进行原理图布置、代码编写调试功能，还有单片机与外围电路联合仿真的功能，此外能够一键切换到印制电路板设计，让人们真正体会到了从设计到实体的过程，特别地便捷。它是现今将电路仿真建模、PCB设计和虚拟模型建模仿真等软件联结的平台之一。除了电子设计自动化软件的功能外,Proteus最大的特点是交互式电路仿真，此外对处理器及外围电路仿真。对于从事电路设计和MCU学习的人,Proteus软件是一个不错的选择。学习并掌握Proteus软件的优点有:首先可以解决数控设备不够的困难；其次可以理论联系实践，实现同步教学；最后是理论教学应用数控加工仿真系统。利用Proteus软件来研究直流电机的调速原理,实现直流电机的速度调控,提供了便捷,弥补了设备的不足,对研究具有很明显的优势。
1．2 行业发展的现状
1.2.1 国外发展现状
1821年到1895年，是直流电机发展的初期，由电机雏形被制造出来到在国际招标中被否定。在此期间，1880年，爱迪生发明了电灯泡，促进了直流电的应用，给直流发电机的发展带来转机。自此，直流电机的发展越来越顺利。但从1895年以后，直流电机的发展迅速跌入底谷，得不到人们的认可[4]。在1821至1895年期间，直流电机理论逐渐完备；在结构上走向统一；在产品上从小型到大型，从实验室全面进入社会应用。
在电路理论上，1845年，基尔霍夫电路定律诞生。在电机电磁场的分析和计算中坡印廷在1884年推导了坡印廷定律。在19世纪后半叶，罗兰等人提出了磁路的概念，并使用电路解答电机中关于磁通的问题。
对基础理论的探究，楞次最先剖析了电机的可逆性原理，统一了电动机和发电机的理论研究。之后，他又和Jacobi共同提出电磁体的计算方法。1866年1867期间，瓦里，惠斯通等人发现直流电机自励现象，为以后大型直流电机进入人们的生产生活打下基础。1879年E.霍普金森，1880年弗洛里奇以及1891年H.阿诺尔德等人在整个探索过程中，贡献了自己的力量。此外，还有默默无闻的人们在直流电机理论探索的道路上都有功劳[5]。
1.2.2 国内发展现状
中国的直流电机起步落后于国外。1987年，驱动器以及永磁自同步伺服系统在北京现身，这是分别由两家联邦德国公司提供展览的，令国人大开眼界，立刻吸引到人民的关注。历经多年，一系列直流电机产品终于在国内亮相，而且生产规模也在不断扩大。在电机生产与设计中，减少电机体积的方式可以运用新材料、进步的技术，有助于提高电机性能。近几年来，稀土材料在电机制造中应用越来越广泛，而我国恰好是稀土资源大国，因此国内许多厂家开始研究和使用新材料，准备开发、生产一些新品种电机，能够尽快地让国内外的人们使用，得到人们的认可。属于中国的首个晶闸管诞生于20世纪60年代，从此以后，利用晶闸管的调速控制系统受到青睐。目前，晶闸管直流调速系统给国人带来不少经济收入，占据不少的经济比重。在我国，对数字直流调速系统的探索主要有：改善PID算法，让它最佳化；改善综合型控制，让它最佳化；对PID控制补偿的研究等。时至今日，有只应用模糊控制技术的电机，但是应用智能控制的电机较少，满足不了社会的需求。新兴的半导体元器件的进步革新，实现了开关速度快、驱动简单、自闭合的目标，克服了晶闸管的缺点，激励着直流调速向脉宽调制方式进步。目前，中国的大多数数字直流调速装置都是进口的，但进口设备的高价也迫使国内数字直流调速装置的研发[6]。
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1 绪论 2
1．1 设计的背景及意义 2
1．2 行业发展的现状 3
2 直流电机的结构与原理 4
2．1 直流电机的结构 4
2．2 直流电机的原理 5
3 系统的总体设计 7
3.1 电机调速控制模块 7
3.2 PWM调速控制方式 8
3.3 PWM软件实现方式 8
4 系统的硬件设计 8
4.1 系统的硬件设计原理 9
4.2 仿真时需要的元器件 10
5 系统的其他电路设计 13
5.1 复位电路 13
5.2 按键电路 14
5.3 液晶电路 14
5.4 时钟电路 15
6 电路仿真 15
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪论
1．1 设计的背景及意义
现如今，计算机行业与工业越来越完善，直流电机的发展和控制技术也趋于完备。直流电机的发明在许多不同领域发挥了重要作用。将直流电能变更为机械能的电机被称为直流电动机，与之相反的被称为直流发电机。它是一种马达，特点是进行能量之间的转化，即直流电能和机械能。直流电机无论在启动时还是在制动时，它的转矩都很大，而且速度调节的范围也广，调速的方式平滑。在高速需求领域，受到众多企业的青睐[1]。在过去，调速方法有弱磁调速、电枢回 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
路串联电阻，这些是直流电机的主要控制方式，但是在许多方面存在缺欠，如动态响应慢、精度不高。这几年来，随着制造电机的材料成本的降低、制造业以及计算机技术的发展，人们渴望能够通过计算机对直流电机进行精密的检测和精确的控制，现在新技术已经实现 。此外，新技术拥有的特点是调速精度变高了，响应速度变快乐和消耗能量更低了，已经成为当下主流的控制方式。现如今，直流电机在各个领域都进行了完善，同时涉及的领域也越来越宽广，发展前景也越来越值得人们关注。
当下，许多种类的新型电机都是电机本体与控制器的结合体，将电机加上控制器装置后，提高了技术含量，提高了企业收益，同时,随着劳动密集型和物质密集型的发展,汽车生产的现状将被消除。与传统电机相比，控制电机将电机技术、控制技术与机械技术结合起来，提高了产品的整体性能。
随着现代工业控制对象的日益复杂，对电机控制的技术要求不断提高。利用计算机的智能控制，人为的控制电机转速、方向，在电机允许的负载条件下，可以使电机的一直处于最佳的工作状态 [2]。直流电机的调速控制在当下越来越重要，具有很大的潜能，值得人们做深入地研究。
直流电机的探索有：第一，没有机械转子位置传感器进行控制它。因为转子位置传感器十分薄弱，带来好处的同时也存在许多隐患。转子位置传感器制造复杂，成本上升；系统部件增多，复杂性提升，再由于其本身的特点，还会影响系统可靠性和抵抗干扰的能力，也占据了系统一部分空间。第二是转矩脉动控制,无刷直流电机具有转矩脉动，尤其是随着转速的增加,换相更加会加重转矩脉动，平均转矩更会明显地降低。如何削减转矩脉动是优化电机性能的一个研究方向[3]。第三是智能控制，智能控制理论的应用符合当前发展的情况，在新的信息技术和控制理论繁荣的情况下，在运动控制领域必有极大的影响。
使用Proteus软件建模仿真有许多优势。Proteus是一款电子自动化设计工具。软件里可以进行原理图布置、代码编写调试功能，还有单片机与外围电路联合仿真的功能，此外能够一键切换到印制电路板设计，让人们真正体会到了从设计到实体的过程，特别地便捷。它是现今将电路仿真建模、PCB设计和虚拟模型建模仿真等软件联结的平台之一。除了电子设计自动化软件的功能外,Proteus最大的特点是交互式电路仿真，此外对处理器及外围电路仿真。对于从事电路设计和MCU学习的人,Proteus软件是一个不错的选择。学习并掌握Proteus软件的优点有:首先可以解决数控设备不够的困难；其次可以理论联系实践，实现同步教学；最后是理论教学应用数控加工仿真系统。利用Proteus软件来研究直流电机的调速原理,实现直流电机的速度调控,提供了便捷,弥补了设备的不足,对研究具有很明显的优势。
1．2 行业发展的现状
1.2.1 国外发展现状
1821年到1895年，是直流电机发展的初期，由电机雏形被制造出来到在国际招标中被否定。在此期间，1880年，爱迪生发明了电灯泡，促进了直流电的应用，给直流发电机的发展带来转机。自此，直流电机的发展越来越顺利。但从1895年以后，直流电机的发展迅速跌入底谷，得不到人们的认可[4]。在1821至1895年期间，直流电机理论逐渐完备；在结构上走向统一；在产品上从小型到大型，从实验室全面进入社会应用。
在电路理论上，1845年，基尔霍夫电路定律诞生。在电机电磁场的分析和计算中坡印廷在1884年推导了坡印廷定律。在19世纪后半叶，罗兰等人提出了磁路的概念，并使用电路解答电机中关于磁通的问题。
对基础理论的探究，楞次最先剖析了电机的可逆性原理，统一了电动机和发电机的理论研究。之后，他又和Jacobi共同提出电磁体的计算方法。1866年1867期间，瓦里，惠斯通等人发现直流电机自励现象，为以后大型直流电机进入人们的生产生活打下基础。1879年E.霍普金森，1880年弗洛里奇以及1891年H.阿诺尔德等人在整个探索过程中，贡献了自己的力量。此外，还有默默无闻的人们在直流电机理论探索的道路上都有功劳[5]。
1.2.2 国内发展现状
中国的直流电机起步落后于国外。1987年，驱动器以及永磁自同步伺服系统在北京现身，这是分别由两家联邦德国公司提供展览的，令国人大开眼界，立刻吸引到人民的关注。历经多年，一系列直流电机产品终于在国内亮相，而且生产规模也在不断扩大。在电机生产与设计中，减少电机体积的方式可以运用新材料、进步的技术，有助于提高电机性能。近几年来，稀土材料在电机制造中应用越来越广泛，而我国恰好是稀土资源大国，因此国内许多厂家开始研究和使用新材料，准备开发、生产一些新品种电机，能够尽快地让国内外的人们使用，得到人们的认可。属于中国的首个晶闸管诞生于20世纪60年代，从此以后，利用晶闸管的调速控制系统受到青睐。目前，晶闸管直流调速系统给国人带来不少经济收入，占据不少的经济比重。在我国，对数字直流调速系统的探索主要有：改善PID算法，让它最佳化；改善综合型控制，让它最佳化；对PID控制补偿的研究等。时至今日，有只应用模糊控制技术的电机，但是应用智能控制的电机较少，满足不了社会的需求。新兴的半导体元器件的进步革新，实现了开关速度快、驱动简单、自闭合的目标，克服了晶闸管的缺点，激励着直流调速向脉宽调制方式进步。目前，中国的大多数数字直流调速装置都是进口的，但进口设备的高价也迫使国内数字直流调速装置的研发[6]。
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