1前言我國從20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調速系統也得到迅速的發展和廣泛的應用。目前，晶閘管供電的直流調速系統在我國國民經濟各部門得到廣泛的應用。隨著現代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應用領域也不斷擴大。例如，軍事和宇航方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導航，衛星姿態，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業方面的各種加工中心，專用加工設備，數控機床，工業機器人，塑料機械，印刷機械，繞線機，紡織機械，工業縫紉機，泵和壓縮機等設備的控制；計算機外圍設備和辦公設備中的各種磁盤驅動器，各種光盤驅動器，繪圖儀，掃描儀，打印機，傳真機，復印機等設備的控制；音像設備和家用電器中的錄音機，錄像機，數碼相機，洗衣機，冰箱，電扇等的控制。為了推廣直流電機在化工領域的使用，由于直流電機的功能已得到很大提高，因此更為人性化的設計勢必在操作和顯示方面。直流電機直流電動機調速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。這類控制容易實現，并可通單片機，直流電機驅動芯片和開關元件來實現，所以本課題采用此法。同時考慮到以前的直流電機只能通過數碼管來進行簡單地顯示轉速，且不能清楚的了解其轉向，而LCD液晶顯示器可以彌補這一點，并且還添加一些更為人性化的提示，這是以前的數碼管所不能代替的，這必將是一個新的趨勢。1系統論述1.1設計思路：直流電機PWM控制系統的主要功能包括：直流電機的加速、減速以及電機的正轉和反轉，并且可以調整電機的轉速，還可以方便的讀出電機轉速的大小，能夠很方便的實現電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數）、暫停、連續功能。該直流電機系統由以下電路模塊組成：2振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機和一些電容、晶振組成。設計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現。設計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成；LED數碼顯示部分由七段數碼顯示管組成。直流電機PWM控制實現部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊組成。1.2基本原理主體電路：即直流電機PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機的I/O端口、定時計數器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉和反轉，并且可以調整電機的轉速，還可以方便的讀出電機轉速的大小和了解電機的轉向，能夠很方便的實現電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數）、暫停、連續功能。其間是通過80C51單片機產生脈寬可調的脈沖信號并輸入到L298驅動芯片來控制直流電機工作的。該直流電機PWM控制系統由以下電路模塊組成：設計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現。設計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機PWM控制實現部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊組成。1.3總體設計框圖系統組成：直流電機PWM調速方案如圖1.1所示：方案說明：直流電機PWM調速系統以AT89C2051單片機為控制核心，由命令輸入模塊、LCD顯示模塊及電機驅動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，定時不斷給直流電機驅動芯片發送PWM波形，3H型驅動電路完成電機正，反轉控制；同時單片機不停的將從鍵盤讀取的數據送到LCD顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知曉其轉向及一些溫心提示。AT89C51直流電機驅動模塊直流電機直流電機驅動模塊直流電機AT89C51直流電機驅動模塊直流電機加速控制端減速控制端正轉控制端反轉控制端停止控制端LCD液晶顯示P0口P2口P1口單片機圖1.1直流電機PWM調速方案2直流電機單元電路設計與分析2.1直流電機驅動模塊主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅動模塊（內含CMOSS管、三太門等）組成。現在介紹下直流電機的運行原理2.1.1直流電機類型4直流電機可按其結構、工作原理和用途等進行分類，其中根據直流電機的用途可分為以下幾種：直流發電機（將機械能轉化為直流電能）、直流電動機（將直流電能轉化為機械能）、直流測速發電機（將機械信號轉換為電信號）、直流伺服電動機（將控制信號轉換為機械信號）。下面以直流電動機作為研究對象。2.1.2直流電機結構直流電機由定子和轉子兩部分組成。在定子上裝有磁極（電磁式直流電機磁極由繞在定子上的磁繞提供），其轉子由硅鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷引出,直流電機結構如圖2.1所示。圖2.1直流電動機結構2.1.3直流電機工作原理直流電機電路模型如圖2.2所示，磁極N、S間裝著一個可以轉動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。當線圈中流過電流時，線圈受到電磁力作用，從而產生旋轉。根據左手定則可知，當流過線圈中電流改變方向時，線圈的受方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向實現改變電機的方向。圖2.2直流電動機電路模型+AB-abcdNS圖1.1直流電機工作52.1.4直流電機主要技術參數直流電機的主要額定值有：額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機的負載能力。額定電壓Ue：長期運行的最高電壓。額定電流Ie：長期運行的最大電流。額定轉速n：單位時間內的電機轉動快慢。以r/min為單位。勵磁電流If：施加到電極線圈上的電流。2.1.5直流電機PWM調速原理（1）直流電機轉速直流電機的數學模型可用圖2.3表示，由圖可見電機的電樞電動勢Ea的正方向與電樞電流Ia的方向相反，Ea為反電動勢；電磁轉矩T的正方向與轉速n的方向相同，是拖動轉矩；軸上的機械負載轉矩T2及空載轉矩T0均與n相反，是制動轉矩。圖2.3直流電機的數學模型根據基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式1.1式1.1中，Ra為電樞回路電阻，電樞回路串聯保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc是外接在電樞回路中的調節電阻。由此可得到直流電機的轉速公式為：n=Ua-IR/Ce式1.2式1.2中，Ce為電動勢常數，是磁通量。raEanT0T2IUT1Rc說明:U電壓Ea電樞電動勢n轉速I電樞電流ra電樞回路電阻Rc外在電樞電阻T1，T2負載轉矩T0空載轉矩磁通量6由1.1式和1.2式得n=Ea/Ce式1.3由式1.3中可以看出，對于一個已經制造好的電機，當勵磁電壓和負載轉矩恒定時，它的轉速由回在電樞兩端的電壓Ea決定，電樞電壓越高，電機轉速就越快，電樞電壓降低到0V時，電機就停止轉動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉。（2）PWM電機調速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為2.3所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠小于電機的慣性常數），可以看出，在T不變的情況下，改變T1和T2寬度，得到的電壓將發生變化，下面對這一變化進一步推導。圖2.3施加在電樞兩端的脈動電壓設電機接全電壓U時，其轉速最大為Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為D=t1/T，則電樞的平均電壓為：U平=UD式1.4由式1.3得到：n=Ea/CeUD/Ce=KD；在假設電樞內阻轉小的情況下式中K=U/Ce，是常數。圖2.4為施加不同占空比時實測的數據繪制所得占空比與轉速的關系圖。圖2.4占空比與電機轉速的關系最大值Vmax平均值Vd最小值Vmint1t2T圖1.3PWM調速原理圖7ABABIN2IN1ENAD11N4006D21N4006D31N4006D41N4006Q12SK1058Q22SK1058Q32SK1058Q42SK1058R11KV1+9V231U174126231U274126直流電機驅動電路直流電機+88.8由圖看出轉速與占空比D并不是完全速的線性關系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內阻較小，可以近視為線性關系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉速成，這就是直流電機PWM調速原理。2.1.6電機驅動模塊的電路設計根據直流電機的工作原理，從PROTEUS選取元器件如下，放置元器件、放置電源和地連線，我們參此設計的直流電機驅動模塊電路如圖2.5所示2SK1058:CMOSS管74L26:三太門1N4006:二極管VSCOURCE:電源MOTOR-ENCODER:直流電機RES:電阻AT89C51:單片機(在此并未顯示)圖2.5直流電機驅動電路然而考慮市場的行情，既然已有專門地為電機驅動而設計的芯片，就沒必要8IN15IN27ENA6OUT12OUT23ENB11OUT313OUT414IN310IN412SENSA1SENSB15GND8VS4VCC9U2L298+12VR4100R5100R6100+88.8234567891RP1RESPACK-8+12VD11N4003D31N4003D21N4003D41N4003直流電機驅動芯片直流電機再從新來設計；選用L298芯片來構成的電路結構基本上跟上圖一樣，由L298芯片組裝的驅動模塊如圖2.6所示。所用元器件如下所示：1N4006:二極管AT89C51:單片機(在此并未顯示)RES:電阻MOTOR-ENCODER:直流電機L298:電機驅動芯片RESPACK-8:排阻圖2.6直流電機及其驅動電路2.1.7程序設計流程圖9定時中斷服務設置一定的周期0FF00H將從鍵盤(中斷)讀取的數據送到TH0中,從而