四川理工学院本科毕业设计
第1章 引 言
1.1 设计背景
在现代化电子信息产业中，电机是一种十分常用的动力设备。目前，在直流电动机控制系统中已普遍开始采用可控硅等装置进行电动机的转速控制，进而逐渐淘汰了发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机的广泛使用，使直流电机控速设计又步入到了一个全新的高度，从此我们可以更加智能化、更加可靠的完成系统要求的控制，并且该过程还更加简单化，只要需要甚至一个只有一点电路基础的人在短时间内也能学会这项控制技术。类比于交流电机，直流电机调速基本原理是简单的，甚至只要改变电压就可以控制转速。但除此之外，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。[1]
1.2 目的和意义
直流电动机在制动性能，在平滑调速等方面都有良好的效果，在许多需要调速或快速正反向的制动领域中都有着广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速依然是建立在交流拖动系统的基础上。早期直流电动机的控制多以模拟电路为基础，采用运放、非线性集成电路及一定的数字电路混合构成，控制系统的硬件部分往往很复杂，而且在功能，系统灵活性、调试等方面还十分不理想，这些限制了直流电机控制技术的发展以及应用。但随着单片机在控制方面的崭露头角，使得大量的控制功能及算法可以通过软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了相当大的灵活性，并使系统的各方面性能都有显著的提高。并且由单片机构成的
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张平：数字式直流电机控速系统设计
控制系统有效的节约了人力资源和系统成本，进而提高了工作的效率。
传统的控制系统采用的模拟元件，虽在一定程度上可以满足生产要求，但是因为元件的老化和外界干扰的影响，以及线路复杂、通用性差，控制效果易受到元件性能，天气，温度等方面因素的影响，所以系统的可靠性方面十分的不理想，甚至事故频出。
现在，直流电机控速系统的数字化已经日趋成熟，伴随着电子技术的高速发展，直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个崭新的阶段，智能化、高可靠性已不可避免的成为了它发展的新趋势。
1.3研究方法
本文主要利用AT89C52系列单片机的灵活工作特点，通过脉冲调速方式控制电机的转动。PWM控制技术因其简单、灵活和稳定的优点而在控制领域得到了广泛的应用，同时也是人们研究的热点。由于科学技术的飞速发展已经开始模糊了学科之间的界限，现代控制理论思想很可能会成为PWM控制技术发展的主流方向。
本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号发生系统，然后通过一定处理来驱动电机。利用光栅测速测得电机转动情况，把光电信号输入给转换芯片最后又反馈给单片机，在对信号的处理完成之后，输出相应的控制量，实现电机的调速控制。
1.4 本章小节
本章先分析了直流电机在现代化生产中不可或缺的位置，在日常生活中扮演的重要角色，比较详细的阐述了其在各个方面的应用。又分析了直流电机控速在现代化大生产中的重要作用。在之前的时代，由于缺少数字技术的支持该系统可以说是遍布漏洞，在系统可靠性，系统调试，系统设计维护，通用性等等方面都相当的不成熟。极大地限制了直流电机控速系统的广泛应用，但随着当前电子技术的飞速发展，特别是单片机以及嵌入式技术的广泛应用，该项技术一下就达到了一个崭新的高度，并且想着智能化，多功能化等方向发展。
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第2章 总体电路设计
单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。脉冲调速是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，达到控制要求的一种调速方法。在该系统中，按一个固定的频率来打开和关闭电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机的电源电压的“占空比”来改变电机的转动大小，从而控制电机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。本系统以AT89C52单片机为核心，通过单片机的控制，采用C语言编程实现对直流电机的速度检测以及转动调速。[2]
系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以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为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。[5]
2.1系统工作原理简介
本系统通过检测光栅的方式来检测电机的转动情况，再经过AT89C52型单片机进行信号处理以及误差矫正，得到电机的实际运动情况，在输出相应的控制信号，并且经由H型电桥形成可用的电机控制信号，控制直流电机开始转动，并且实时监控其转动情况，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。一般来说，电机的工作状态是不会简单的与工作电压成线性关系，而且在带动负载的情况下事情将会变得更加复杂，但是情况却可以因为我们的智能程序而有相当大的改善（假设电机确实能够带动负载的情况下），在智能系统的实时监控之下，如果电机的转速达不到希望的等级，系统是不会死守最初的规则，其会根据情况适当的调节占空比T的输出，假设转速达不到要求系统会逐级加大占空比T，直到达到要求或者电机负载上限。而在转速超过要求时系统又会逐级减小占空比，直到达到要求或占空比为零，甚至输出反向转动信号，而完成对电机制动。
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张平：数字式直流电机控速系统设计
这样，我们终于可以将其近似地看成是线性关系。（具体电路实现见附录）
2.2 系统框图
本文系统主要由六个独立部件组成，包括显示模块，单片机，逻辑上位机，光电开关，电机驱动以及直流电机。其各个模块的功能如下：
显示模块：功能主要是用来显示数据，方便系统与用户进行直观的交互，但有上位机存在的情况下，也可以去掉该部分，用户与系统的交互可以交由上位机来实现。
逻辑上位机：在工作状态下系统是默认存在上位机的，当在串行接口接收到有效命令时，即开始执行相应的指令，完成要求后，再将结果反馈到上位机。
单片机：完成系统控制的核心模块，本文系统在该元件的支持下完成其功能。 光电开关：安装在需要测量转速的地方，每当电机转动一次则产生一个脉冲信号，该信号在经过相应的处理之后，再发送到单片机进行检测。
电机驱动：一般情况下，单片机的驱动能力是不足以负载一个直流电机，所以需要经过该模块才能完成对电机的控制。
电机：系统的控制目标。 系统逻辑结构如图2-1所示。
显示模块 上位机 单片机 光电开关 电机驱动 电机 图2-1系统总体设计图
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2.3 本章小结
本章简单的介绍了本文系统的工作原理以及系统的设计思路，将系统的实现逻辑上分成了六个部分，包括显示模块，单片机，逻辑上位机，光电开关，电机驱动以及直流电机，并简要介绍了每个模块的功能。
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