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随着微电子和计算机技术的发展， 直流电机的要求量与日俱增， 它广泛用于
8 Q* }% Y& C; Q7 z7 v2 }打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产
4 ^ w. ~$ ?6 y8 s品中，并在国民经济各个领域都有应用。研究直流电机的控制系统， 对提高控制. X- }2 ]0 J+ j5 u5 t
精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。" ^2 u& k# t8 G4 [
因为单片机具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、. ]' W% z9 N* L! s2 }0 i% D
易于使用等优点，所以论文采用51 系列单片机进行控制系统的设计，由硬件设1 S7 T+ k. B) e, D
计和软件设计两部分组成。其中，硬件设计主要包括单片机最小系统、键盘控制3 n3 f; T+ e& _0 `* ~: B
模块、直流电动机驱动模块、复位电路模块、晶振电路模块等功能模块的设计。9 |6 W2 a' y+ x+ c
软件设计包括主程序以及各个模块的控制程序， 最终实现对直流电机转动方向及% `1 A) r3 y, U2 S4 M
转动速度的控制。系统具有智能性、实用性及可靠性的特点。
2 _: m% p1 w& ]: a# K' e( K
0 R' j7 L' g+ }1.1 研究背景4 }% F; k t: S4 [6 d4 q
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，4 }7 _, c" v% {8 [' {
直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，
" c3 v% W5 _ c- r# i: l简单的控制性能， 高效率， 优异的动态特性， 现在仍是大多数调速控制电动机的
E+ Z$ J, b5 F; J最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。
% B# ^5 u, {* x近十几年来，单片机作为微计算机一个很重要的分支， 应用广泛，发展迅速，6 k+ n! y% S( Q3 q! \
已经对人类社会产生了深远的影响。单片机在生产过程控制、自动检测、数据采 A' N }3 ~0 @5 u$ i: ~9 P
集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片
8 ?; G3 ~, t* a机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，尤其是美
( @& U. F d: d! E G) f国Intel 公司生产的MCS-51 系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、
( y# x( ]$ L% C! H可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点， 在我国已经得到广泛的应用。
7 }1 {2 T2 ~% W1 i: [* `1.2 研究价值' H& |! _- n* c) {. x: |& V( m
以前电动机大多使用由模拟电路组成的控制柜进行控制， 现在单片机已经开" j3 p$ W+ ~* B2 C* m1 Q+ `4 c
始取代模拟电路作为电机控制器。当前电机控制器的发展方向越来越趋于多样化
' [4 ?& b3 U$ B7 p A" t' P! M2 ?! B2 U: n和复杂化， 现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新产品开发要求， 为此可考虑
. h* O0 r* H7 K F7 d c9 Z开发电机的新型单片机控制器，因此研究电机的调速控制有着非常重要的意义。0 G; ]4 X: G$ V7 Y) ]9 {+ x4 {
1.3 研究内容
( \4 n8 ^4 ?0 D; ^1 ^/ R本设计实现的是用单片机来控制直流电机， 其中通过4 位按键来实现电动机. l& o# f/ r) e1 h' U9 |
的启停、正反转、加速、减速。调速系统主要是通过调节PWM的占空比大小来实3 B$ R1 j0 ?% P4 n7 t
现。
+ `( Q" Q/ E' R% L7 j# U5 m4 R2 直流电动机简介3 `, J( m9 t$ N# H: K9 {0 D
2.1 直流电动机的工作原理及其构造 X9 N: k/ A6 S3 \, s, A2 _1 b
电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置， 它的主要
$ Q( |6 {9 e, n& w5 K: L3 w作用是产生驱动转矩， 作为用电器或各种机械的动力源。直流电动机的励磁线圈- i" o2 {! _# j. o# @1 U5 n
两个端线通有相反方向的电流， 使整个线圈产生绕轴的扭力， 使线圈转动。为使9 O; n5 e6 ^# Z3 O1 F1 ~8 F0 [- x
电枢受到一个方向不变的电磁转矩， 关键在于当线圈边在不同极性的磁极下， 将9 g7 W0 o+ f, u5 n. e2 k) L
流过线圈中的电流方向及时地加以变换， 即进行所谓“换向”。为此必须增添一) M, c& J$ ~" W$ Q& m3 H" |* ]
个叫做换向器的装置， 换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个
0 F) E$ x$ C, W+ E) P4 I方向，就可以使电动机能连续的旋转。
0 X |, v5 s0 ^$ z- ` t [直流电动机的构造分为定子与转子两部分。定子包括：机座，主磁极，换向极，电" G* ?# Q" k9 |5 v! E3 Q' A
刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。- o# I/ [& b9 T3 s% T% I( e( V
（1）定子/ r* b2 U8 w1 P+ D0 a
定子就是发动机中固定不动的部分， 它主要由机座、主磁极、换向级和电刷, c5 W3 E" N$ z0 \6 f5 k
装置组成。机座不仅起到导磁的作用， 而且会起到机械支撑的作用。主磁极的作' e8 S4 C# t8 ^0 Y
用是在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密， 也称主极。一般
$ W6 p: V. `4 V7 W大多数直流电机的主磁极都是由直流电流来励磁， 因此主磁极上还应该装有励磁
5 ?) c) l) M% C; M线圈。换向级一般用整块钢板构成， 且外面套有换向级绕组。换向级绕组导线的
/ Y+ l: i9 b0 O/ r- |) F. `! F; ]0 X截面积比较大， 而匝数比较少， 是因为换向级绕组里有电枢电流流过。电刷装置
" w+ K3 S+ L9 X- {0 G2 t9 Z的作用是把电动机转动部分的电流引出到静止的电路里。电刷一般情况下与换向; O4 a' x. i L; Y0 A9 u3 Q8 Y3 S, y. t
器配合使用。/ Q& o' R' H: j! S( ]5 s0 L
（2）转子; a- M0 e( q W, t4 h
转子是电动机的转动部分， 主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生
n9 G4 j: ^4 L3 s: j感应电动势的部分， 主要包括电枢铁芯和点数绕组。电枢铁芯成圆柱形， 由硅钢
# F) H0 B% o" A0 `* F$ _9 G q片叠成，表面冲有槽， 槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁" s/ Z: N, I! o. h9 Y
力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器
" |/ D& ?0 j: P4 R( A4 @ d Q又叫做整流子， 对于直流电动机来说是一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成， 片
. f( ~# L0 U+ j. R间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上， 用压圈固定后成为换向器再压装， 在
9 n5 E0 Y% U+ ]2 e2 T转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。固定的电刷被; r ?& O1 u4 |! f4 A5 t
换向器用弹簧压在表面， 进而让转动着的电枢绕组同外电路连接到一起， 与此同% H6 e, O" F( n6 [2 a2 K- n
时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。
* y" z$ B- ~0 i& K) i2.2 直流电动机的PWM调压调速原理# ]# b* x2 e) b: H
直流电动机转速n 的表达式为：$ r: ~1 O) ?5 m: A% M p
n=(U-IR)/K Φ （2-1 ）错误！未指定书签。
8 w( O* [: `3 T% U式中： U——电枢端电压； I ——电枢电流； R——电枢电路总电阻； Φ——每极: X1 b9 m- _1 T- O: G6 s$ \( d% j
磁通量； K——电动机结构参数。
. Q7 x. s' m" I7 z' @& Q0 q8 P由式2-1 可以看出，直流电动机的转速控制方法可分为对励磁磁通进行控制
: B5 j2 N2 g+ R! a7 i7 W' a的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。本设计使用的是励磁恒定不
6 Q8 {: W$ i( {# }+ G6 Y变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
( Y+ |. {& v" U$ O绝大多数直流电动机使用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件
" G& F6 l2 y! g0 V( Q* s工作在开关状态， 通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压， 实现调速。此时电 {: x6 i/ V, F6 e4 S1 E( T
动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：( q7 N! I* H6 t& V
U0=(t 1US+0)/(t 1+t 2)=t 1US/T= αUs (2-2) _3 A0 d& w1 x
式中Us 为电源电压， T 为一个脉冲周期， t 1表示在一个周期T 内开关导通的
: ]% s7 D- H; {时间， α 为占空比，表示一个周期T 内开关导通时间与周期的比值，变化范围/ w6 L3 U* W) M% |6 K# ^; i# `( i' K
为0≤α≤1。当电源电压Us 不变，改变α 即可改变端电压的平均值，从而达到
: Q- v c8 o! ^ j' T调速的目的。9 S( G- Z7 C' x' f% j' k
3 控制系统的总体设计 V. H2 d0 u9 G( @3 Z, t! \9 G
3.1 设计方案分析与比较, @8 F& ?. g0 X( S$ ]" q( F
1、电动机调速控制模块
" l" w* ?# |( G& Y( y, @方案一：电动机的分压是采用电阻网络或数字电位器调整， 进而实现速度的) \1 Q5 X' t4 H% _0 X
控制。但是采用电阻网络仅能实现的是有级调速， 采用数字电阻元器件的价格较+ g9 ^+ h% @* v8 j+ W- S/ O3 R
为昂贵。最重要的是一般电动机的电阻很小电流很大， 尤其是在分压的时候不仅
2 d6 W& A/ l# V. b- R5 D; L会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。# V. l1 f: n6 N! V, j
方案二：若使用继电器来对电动机的开（关）进行控制，通过开关的切换来; t. J, j9 \- Z: E$ S
实现电动机的加减速。该方案的优点是电路简单， 存在的缺点是继电器的响应时' e$ A' N/ J J; t
间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。
2 F) s2 o, W3 y+ O; [# Q方案三：若使用由达林顿管组成的H型PWM电路，单片机可控制达林顿管工6 }. s' A0 f/ d
作在可调节占空比的状态， 从而调整电动机的速度。由于这种电路工作在管子饱& x w/ f& ?" {' ]' z; X2 K
和和截止状态下，效率很高； H型电路可以实现较为简单的方向和速度的控制；
^; x. S' V( P. W" s7 ?电子开关的速度快、稳定性好，是一种极为广泛的PWM调速技术。& ?* R, ^4 O( K6 V% J/ ^
综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。' Z5 x' w& l; m. I' E
2、PWM调速工作方式4 T/ M. V9 W! L) l2 L0 o! u
方案一：双极性工作方式， 是在设定的一个脉冲信号周期内， 单片机有两个
* ^3 u I* N# N. p控制端口各输出一个控制信号， 通过两信号的高低电平差值来决定电动机的方向% b% E! i( B$ {. Y4 a
和速度。
) Q3 a- N0 {( m; y方案二：单极性工作方式， 是单片机的控制端口接地， 另一端输出PWM信号，
2 ^& d( \7 f: ~& A" f切换两口的输出来调节PWM的占空比，进而可控制电动机的方向和速度。
0 Q6 t# N8 ]# r) l因为双极性工作制电压波中的交流成分比单极性工作制的大， 电流波动也较0 B: o) j. K3 t; i! P4 Y+ {3 y& s
大，所以本设计采用了单极性工作制。, \& O$ _/ H+ }6 Q$ Y! K& e' x Y
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) l* i1 {$ O) H5 K+ b' O
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发表于 2019-11-25 13:21
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