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方向，就可以使电动机能连续的旋转。
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，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。 （1）定子
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器配合使用。 （2）转子
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，与此同时可以将外部的直流电流转成电枢绕组内的交流电流。
2.2 直流电动机的PWM调压调速原理
直流电动机转速n的表达式为：
n=(U-IR)/KΦ （2-1）错误！未指定书签。
式中：U——电枢端电压；I——电枢电流；R——电枢电路总电阻；Φ——每极磁通量；K——电动机结构参数。
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变的情况下，通过调节电枢电压来实现调速。
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。此时电动机电枢绕组两端电压的平均值U0为：
U0=(t1US+0)/(t1+t2)=t1US/T=αUs (2-2)
式中Us为电源电压，T为一个脉冲周期，t1表示在一个周期T内开关导通的时间，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，从而达到调速的目的。
3 控制系统的总体设计
3.1 设计方案分析与比较
1、电动机调速控制模块
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会大大的降低效率，而且在实现时也很复杂。
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间长、机械结构容易损坏、可靠性不高。
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
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；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。
综上所述，分析各方案的优缺点本设计采用方案三。 2、PWM调速工作方式
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和速度。
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，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。
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，电流波动也较大，所以本设计采用了单极性工作制。 3、PWM调速方法
PWM调速原理如图3.1所示
T U T1 T2 T：周期 T1：高电平持续时间 T2：低电平持续时间 t 图3.1 PWM调速原理图
根据改变占空比方法的不同，PWM调速可分为以下三种： （1）定宽调频
保持T1不变，改变T2，周期T随之改变。 （2）调宽调频
保持T2不变，改变T1，周期T随之改变。 （3）定频调宽
保持周期T不变，同时改变T1和T2。
前两种发法在改变占空比的同时改变了脉冲频率，当控制脉冲频率与系统固有频率接近时，将会引起振荡，所以，本设计采用第三种方法来调速。 4、PWM软件实现方式
方案一：使用定时器作为脉宽控制的定时方式，此方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只有几个微秒。
方案二：使用软件延时方式，此方式不如方案一精确，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是由于方案二不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，因此本设计采用方案二。
3.2 系统结构设计
系统的结构框图如下图3.2所示，主要包括4位键盘电路、电源电路、89C51单片机芯片、直流电动机、PWM驱动电路、晶振电路以及复位电路七大部分。4位键盘和单片机相连，主要用来控制直流电机，其中一位控制直流电机的启动和停止；一位控制直流电机的正反转；一位可以使直流电机加速；还有一位可以使电机减速。电源主要为单片机提供电源。晶振电路是为单片机提供振荡脉冲。复位电路是将单片机的硬件做初始化操作。而电机的加减速则需要调节PWM的占空比来调节（具体见第一章）。
复位 电路 4位 键盘 89C51 单片机 PWM 驱动 电路 电源 电路 时钟 电路 直 流 电动机 图3.2 系统的结构框图
本设计选用LM629直流电机，而单片机则采用51系列中的89C51单片机。
3.3 单片机89C51简介
之前已经学习过80C51芯片，在本设计中采用89C51单片机芯片。他们之间芯片各脚的定义是完全兼容的，唯一的区别是89C51内部集成了4K的FLASH-ROM,而80C51内部是厂家做好的掩膜式ROM,除了在烧写ROM的时候方式不同，在电路中的功能是一样的。因此在电路上没有区别。
89C51单片机的主要特性：
4K字节可编程闪烁存储器；128*8位内部RAM；有五个中断源；两个16位定时器/计数器和32位可编程输入/输出线；具有时钟电路和片内振荡器；有可编程的串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。