磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度[2]。
在国外，PWM最早应用在军事工业以及空间技术中，它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近八、九年来，进一步扩散到民用工业，特别是在风力发电、电机调速、直流供电等领域中广泛应用。
如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入21世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。
1.3设计目的和意义
由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。尤其是我国在此领域的现状，再加上PWM调速系统的出现，弥补了这个空白，更加提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速系统仍将处于十分重要地位。
对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动[3]。
本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台PROTUES之上，运用C语言编程控制。由定时器来产生固定宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。
本设计以AT89C51单片机为核心，以键盘按键作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了实验性的基本要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
本文介绍了直流电机的工作原理、脉宽调制（PWM）控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
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，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，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。
随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM
波；有捕捉功能，用于测频；有AD转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制
系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该设计中AT89C51单片机做为控制芯片。
通过设计基于AT89C51单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握AT89C51的同时进一步加深对直流电动机调速方法的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。
2直流电动机调速的概述
2.1直流电机调速原理
直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：
n?U/Ce??TemRa/CrCe?2（公式 2-1）
其中：U—电压；Ra—励磁绕组本身的电阻；—每极磁通(Wb)；Tem—电磁转矩；Ce—电势常数；Cr—转矩常量。
由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法[4]。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1所示：
图1 直流电机的工作原理图
电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”[4]。
图2电枢电压占空比和平均电压的关系图
如图2所示，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1T，则电机的平均速度为： =Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的。
2.2直流调速系统实现方式
PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件PROTUES来实现PWM调速，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值，其方法如下： A、定宽调频法：保持不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。 B、调宽调频法：保持t不变，只改变，这样使周期(或频率)也随之改变。 C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。
前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压[5]。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。
2.3控制程序设计
控制程序设计有两种方法：软件延时法和计数法。软件延时法的基本思路是：设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=T，则电机的平均速度为Va = Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=T是指占空比。当我们改变占空比D=T时，就可以得到不同的电机平均速度Va,从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Va与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。
软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据加、减速按钮，调整输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。在本设计中PWM脉冲调制的
控制流程如图3所示：
图3 PWM控制流程