1、 編號： 本科畢業設計（論文）題目：（中文）直流電機控制器設計 （英文）dc motor controller design分 院 理工分院 專 業 電氣工程與自動化 班 級 05自動化 姓名 指導教師 職稱講師完成日期 2009-5-1 誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業論文直流電機控制器設計均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 2009 年 5 月 1 日摘要【摘要】本論文介紹了基于stc12c5404ad單片機的直流電機控制系統。該系統的主要功能為：通過按鍵設定電機的轉向，通過按鍵設定電機的工作方式,

2、控制單片機輸出pwm信號控制電機的運轉，并且用數碼管將電機的轉向，工作模式和在手動時的轉速檔位顯示出來，還有系統相關的保護功能。實驗測試結果表明該系統調速性能好，轉速設定方便快捷，顯示直觀清楚。本文還對相關的性能指標進行了分析。【關鍵詞】直流電機；pwm；單片機。dc motor controller design abstract 【abstract】this article introduction based on stc12c5404ad single-chip dc motor control system.the primary function of the system is:

3、 through the key settings of the steering motor, set through the key ways of working motor, single-chip pwm output control signals to control the operation of motor, and digital display of the steering motor, the working mode and in the manual at the time of the stall speed ,and related to protectio

4、n system. experimental test results description speed performance of the system, convenient speed settings, showed a clear intuitive. this article is also related to performance analysis.【keywords】dc motor;pwm;single-chip.目錄1緒論11.1概述11.2相關技術簡介11.2.1pwm控制.11.2.2 led顯示21.3電機特性及基本調速方式21.3.1交流電動機的特性及調速方

5、式21.3.2步進電機的特性及調速方式21.3.3直流電機的特性及調速方式31.4系統的總體設計及功能要求52硬件電路設計62.1系統總體框圖62.2單片機選取62.3單片機及電源部分電路設計72.4按鍵輸入電路設計102.5手柄調速部分電路設計102.6led顯示部分電路設計112.7電機驅動與轉向調節電路132.7.1h橋功率驅動原理132.7.2h橋驅動電路設計方案比較142.7.3相關元器件介紹142.7.4電機驅動與轉向調節電路設計172.8相關保護電路182.9本章小結203軟件設計213.1編程環境213.2主程序213.3中斷服務程序233.4按鍵程序243.5用于自動調速的a

6、/d轉換子程序263.6顯示子程序273.7pwm程序273.8本章小結284調試及實物294.1調試294.1.1硬件電路調試294.1.2調試過程中出現的問題及解決方法294.2實物295總結31參考文獻32致謝33附錄341 緒論1.1 概述由于單片機具有體積小、集成度高、運算速度快、運行可靠、應用靈活、價格低廉以及面向控制等特點，因此在工業控制、數據采集、智能儀器儀表、智能化設備和各種家用電器等領域得到廣泛的應用，而且發展非常迅猛。隨著單片機應用技術水平不斷提高，目前單片機的應用領域已經遍及幾乎所有的領域。現在國內外工業上對電機的調速基本已經不再使用模擬調速，而采用數字調速系統，而數字

7、調速系統大部分都是用單片機來進行控制，數字調速系統具有控制精確度高，非常穩定，受環境影響小，效率高等優點，所以在國內外的使用越來越廣泛。與交流電動機相比，直流電機結構復雜、成本高、運行維護困難，但是直流電機具有良好的調速性能、較大的啟動轉矩和過載能力強等許多優點，因此在許多行業仍大量應用。近年來，直流電動機的機構和控制方式都發生了很大的變化。隨著計算機進入控制領域以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制（pulse width modulation，簡稱pwm）已成為直流電機新的調速方式。這種調速方法具有開關頻率高、低速運行穩定、動態性能良好、效率高等優點，

8、更重要的是這種控速方式很容易在單片機控制系統中實現，因此具有很好的發展前景。1.2 相關技術簡介1.2.1 pwm控制pwm（pulse width modulation）脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制，是一種最初用語無線電通信的信號調制技術，后來在控制領域中（比如電機調速）也得到了很好的應用，于是形成了獨特的pwm控制技術。pwm控制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中1。簡而言之，pwm是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。pwm信

9、號仍然是數字的，因為在給定的任何適合，滿幅值的直流供電要么完全有，要么完全無。電壓或電流源是以一種通或斷的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的，通的時候即是直流供電被加到負載上去，斷的時候即是供電被斷開。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用pwm進行編碼1。采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。pwm控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。pwm控制的基

10、本原理很早就已經提出，但是受電力電子器件發展水平的制約，在20世紀80年代以前一直未能實現。知道進入20世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現及其迅速發展，pwm控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發展以及各種新的理論方法，如現代控制理論、非線性系統控制思想的應用，pwm控制技術獲得了空前的發展。到目前為止，已出現了多種pwm控制技術1。一般情況下，調節脈寬調制信號的脈寬有兩種方法，一種方法是采用模擬電路中的調制方法，另一種方法是使用脈沖計數法。對于一般電機控制，采用第一種方法在控制電壓變化時濾波的實現存在較大的困難，這主要是因為濾波頻率較低、濾波精度要求高

11、和濾波電路的參數不易調整。本設計中這兩種方法都用。1.2.2 led顯示單片機驅動led數碼管有很多方法，按顯示方法可分為靜態顯示和動態顯示。靜態顯示就是顯示驅動電路具有輸出鎖存功能，單片機將要顯示的數據送出后就不再控制led，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數據。只要當前顯示的數據沒有變化，就無須理睬數碼管顯示器。靜態顯示的數據穩定，占用的cpu時間少2。動態掃描方法是用其借口電路把所有led的8個筆劃字段同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極com各自獨立的接受i/o線控制。動態掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的com端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間

12、極為短暫，但只要刷新頻率足夠大（50hz），由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，給人的印象就是一組穩定的顯示數據。靜態顯示和動態顯示各有利弊。靜態顯示雖然數據顯示穩定，占用很少的cpu時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅動電路，使用的電路硬件較多，如果顯示的位數比較多，硬件的開銷、電源的功耗等問題將變得更加突出；動態顯示需要分時顯示，需要cpu時刻對顯示器件進行數據刷新，占用的cpu時間多，但使用的硬件少，可以大幅度地降低硬件成本和電源功耗，還可以節省線路板空間2。所以在一般的系統中，為了降低成本，動態顯示方案就具有一定的實用性，也是目前單片機數碼管顯示中較為常用的一種顯示方法。本設

13、計中也是采用動態循環顯示。1.3 電機特性及基本調速方式一般我們經常使用的電動機分為交流電機，步進電機和直流電機，下面我們將對這三種電機的特性及調速方式來分別介紹及比較。1.3.1 交流電動機的特性及調速方式交流電動機的特點是結構簡單，價格低。其中，籠型異步電動機僅為同功率直流電動機價格的1/3 左右，而且能夠適應較差的工作環境，維護工作量小，所以該類電動機得到了廣泛地應用。由于交流電動機的調速性能不如直流電動機，直至近年來，交流電動機的變頻調速技術獲得成功后，才徹底地改變了交流電動機調速難的問題，以下為幾種調速方法3。電樞串電阻調速：電樞回路串接電阻后，電動機的機械特性的斜率隨電阻的改變而改

14、變，在恒負載下使轉速發生變化。該調速方式的優點是控制裝置很簡單；缺點是轉速受負載的影響較大，在空載時幾乎沒有調速作用，而在重載低速運行時特性顯得太軟，而且功耗很大。改變電樞電壓調速：當電動機采用這種方式，其機械特性隨電樞電壓的改變而產生平移，所以它的調速范圍較廣。電樞電壓的調節常用晶閘管整流裝置實現，但低速運行時功率因數變低，而且在交流側出現較多的諧波成分，對電網不利。pwm 直流調整系統：其原理是將直流控制信號與三角波經調制電路產生一系列脈寬不等的脈沖信號，做功率放大后驅動大功率器件。控制調制方波的占空比，便可以改變輸出平均電壓。將pwm輸出電壓接至直流電動機的電樞兩端，便可組成性能優良的調

15、速系統。該調速系統的優點是調速范圍廣、效率高、響應速度快、電流脈動小及對電網污染小；但因系統較復雜，造價也相應地提高。雙閉環直流調速系統：該系統的反饋量電流和轉速信號，分別送入電流調節器和速度調節器。調節器按p-i（比例積分）方式實現調節。由電流調節器組成的閉環稱為電流環。由速度調節器組成的閉環稱為轉速環，電流環用于控制電流，轉速環用于控制轉速。數字式直流調速系統：目前較先進的直流調速系統均采用數字控制，從積分調節器到觸發裝置，以及其他控制功能均由微處理器來實現。它具有調速性能高、工作可靠和體積小等特點。數控裝置設有鍵盤和led 顯示器，可方便地利用鍵盤進行各項運行參數的設定。此外，它還具備自

16、診斷及完善的保護功能。1.3.2 步進電機的特性及調速方式步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統中。 步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機可以作為一種控制用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點，廣泛應用于各種開環控制3。現在比較常用的步進電機包括反應式

17、步進電機（vr）、永磁式步進電機（pm）、混合式步進電機（hb）和單相式步進電機等。 永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度； 反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩3。 混合式步進電機是指混合了永磁式和反應式的優點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。步進電機的一些基本參數：電機固有步距角、步進電機的相數、保持轉矩（holding torque）、detent

18、torque。1.3.3 直流電機的特性及調速方式絕大多數的電動機都須作連續的旋轉運動的電磁力形成一種方向不變的轉矩，才能構成電動機。n、s為對固定的磁極(一般是電磁鐵，也可以是永久磁鐵)，兩磁極 間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。當線圈中通入直流電流時，線圈邊上受到電磁力，根據左手定則確定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向。若電樞轉動，線圈兩邊的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產生的電磁轉矩的方向卻變為順時針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉矩。這種交變的電磁轉矩只能使電樞來回搖擺，而不能使電樞連續轉動。顯

19、然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩，關鍵在于，當線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質換向片構成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉。換向器又與兩個固定不動的由石墨制成的電刷a、b相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經電刷流過電樞上的線圈，則產生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。電樞一經轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于n極下，其中通過電流的方向總是由電刷a流入的方向，而在s極下時，總

20、是從電刷b流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣的結構，就可使電動機能連續地旋轉。這就是直流電動機的工作原理3。直流電機的調速方法有：(1)電樞串電阻調速：電樞回路串接電阻后，電動機的機械特性的斜率隨電阻的改變而改變，在恒負載下使轉速發生變化。該調速方式的優點是控制裝置很簡單；缺點是轉速受負載的影響較大，在空載時幾乎沒有調速作用，而在重載低速運行時特性顯得太軟，而且功耗很大。(2)改變電樞電壓調速：當電動機采用這種方式，其機械特性隨電樞電壓的改變而產生平移，所以它的調速范圍較廣。電樞電壓的調節常用晶閘管整流裝置實現，但低速運行時功率因數變低，而且在交流側出現較多的諧波

21、成分，對電網不利。(3)pwm 直流調整系統：其原理是將直流控制信號與三角波經調制電路產生一系列脈寬不等的脈沖信號，做功率放大后驅動大功率器件。控制調制方波的占空比，便可以改變輸出平均電壓。將pwm輸出電壓接至直流電動機的電樞兩端，便可組成性能優良的調速系統。該調速系統的優點是調速范圍廣、效率高、響應速度快、電流脈動小及對電網污染小；但因系統較復雜，造價也相應地提高。(4)雙閉環直流調速系統：該系統的反饋量電流和轉速信號，分別送入電流調節器和速度調節器。調節器按p-i（比例積分）方式實現調節。由電流調節器組成的閉環稱為電流環。由速度調節器組成的閉環稱為轉速環，電流環用于控制電流，轉速環用于控制

22、轉速。(5)數字式直流調速系統：目前較先進的直流調速系統均采用數字控制，從積分調節器到觸發裝置，以及其他控制功能均由微處理器來實現。它具有調速性能高、工作可靠和體積小等特點。數控裝置設有鍵盤和led 顯示器，可方便地利用鍵盤進行各項運行參數的設定。此外，它還具備自診斷及完善的保護功能。改變勵磁的恒功率調速：從直流電動機的機械特性的公式可看出，當磁通減小電動機的轉速也隨之提高3。由直流電機的電壓平衡方程式：u = e+ir其中i為電機線圈電流，r為線圈電阻，e為電機的反電勢， e = c*,式中，c為電機結構常數，為一常量；為線圈磁通；為電機轉動角速度。于是將e代入電壓平衡方程式中，可得：u =

23、 c*+ ir經過移項之后就可得出角速度和電壓的關系式： = （u-ir）/ c*從上式可以看出，改變外接電壓u,電機回路電阻r, 磁通，可改變電機轉速。本設計所用直流電機為永磁式, 磁通不可改變,而改變電機回路電阻r來調速的方式,已不多見,所以采用改變外接電壓u的調速方式。1.4 系統的總體設計及功能要求本系統由單片機核心、電機控制模塊、數碼管顯示模塊鍵盤輸入模塊和保護模塊構成，stc12c5404ad單片機作為主控芯片，通過i/o端口輸出pwm來控制hip4082電機驅動芯片，從而實現對直流電機的控制。同時，在手動狀態下，電機轉速的檔位可由第3位數碼管顯示出來。通過按鍵對直流電機的轉動方向

24、和轉速等進行設定。在自動狀態下，通過手柄和按鍵對直流電機的轉動方向和轉速等進行設定。本設計是要利用stc12c5404ad單片機控制pwm調速電路實現大功率直流電機的轉速調節，本系統必須符合以下幾點要求：(1) 能對直流電機進行調速。(2) 利用按鍵設置是自動控制電機轉速還是手動控制電機轉速，并在數碼管上顯示出來。(3) 在手動模式下，利用按鍵和led數碼管設置速度，要求設置方便，快捷。(4) 在自動模式下，用調速手柄控制電機的速度，要求調速明顯。(5) 電機能進行正反轉控制，并在數碼管上顯示出來。(6) 有過流，欠壓等相關的保護電路。下面，本文將從硬件和軟件兩方面按系統功能要求進行設計。2

25、硬件電路設計2.1 系統總體框圖本系統由單片機核心、電機控制模塊、數碼管顯示模塊鍵盤輸入模塊和保護模塊構成，stc12c5404ad單片機作為主控芯片，通過i/o端口輸出pwm來控制hip4082電機驅動芯片，從而實現對直流電機的控制。同時，在手動狀態下，電機轉速的檔位可由第3位數碼管顯示出來。通過按鍵對直流電機的轉動方向和轉速等進行設定。在自動狀態下，通過手柄和按鍵對直流電機的轉動方向和轉速等進行設定。總體框圖如下：圖2.1 系統總體框圖本設計在硬件電路上共分為6個部分，單片機部分、按鍵輸入、手柄調速、led顯示、電機驅動與轉向調節電路及相關保護電路。下面本文將詳細介紹每一部分的功能原理以及

26、元器件的選取。2.2 單片機選取設計選用stc12c5404ad單片機，它是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1t）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍，內部集成max810專用復位電路。4路pwm，8路高速10位a/d轉換，針對電機控制，強干擾場合。選用stc12c5404ad單片機的理由：加密性強，無法解密；超強抗干擾：高抗靜電,輕松過4kv快速脈沖干擾，寬電壓，不怕電源抖動，寬溫度范圍；1個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低emi；超低功耗：掉電模式典型功耗8; /pca寄存器重載；scan_key(); /按鍵程序；display(); /顯示程序；adccont(); /ad轉換程序；if(+k10)flag=1;k=0; /延時50ms; 3.4 按鍵程序在該程序的設計中要注意按鍵的去抖動程序。按鍵本身是機械開關，由于機械觸點的彈性以及電壓突跳等原因，在觸點閉合或者是斷開的瞬間會出現電壓抖動的情況。在發生抖動時單片機很難判別此時按鍵是否按下，為此，就需要進行按鍵的去抖動處理。去抖動的方法一般有兩種：一種是硬件電路，另一種是采用軟件的時間延時程序以躲過抖動時間，在這里采用軟件方法去抖動。消抖動程序就是針對這方面來設計的，具體是：當單片機檢測到某一個