基于PWM的直流电动机运动控制设计.doc

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课程设计报告

（2022-2023学年第一学期）

课程：运动控制系统实践

题目：基于PWM的直流电动机运动控制设计

专业班级：机器人202

目录TOC\o1-3\h\z\u

29715一、引言 1

69391、研究方法及调速原理 2

268492、直流调速系统实现方式 3

73333、控制程序的设计 4

14594二、系统硬件电路的设计 4

205081、系统总体设计框图及单片机系统的设计 4

196322、STC89C51单片机简介 4

158652.1.STC89C51单片机的组成 5

284132.2.CPU及部分部件的作用和功能 5

24455三、PWM信号发生电路设计 5

32301、PWM的基本原理 6

114962、系统的硬件电路设计与分析 6

108233、H桥的驱动电路设计方案 7

22687四、主电路设计 8

221871、液晶电路 8

30692.1.LCD1602性能参数 9

157632.2.LCD1602的显示与控制命令 11

216022、按键电路 12

27826五、调试与存在的问题 14

120911、硬件调试 14

82262、软件调试 14

21273总结 16

引言

研究方法及调速原理

直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式：

n=U/Cc-T/CrCc（公式1-1）

其中：

U—电压；—励磁绕组电阻；

—磁通(Wb)；Cc—电势常数；Cr—转矩常量。

由上式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。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1-1所示：

图1-1直流电机的工作原理图

电枢控制即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。在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是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。

图1-2脉冲信号及其波形图

根据上图，当电动机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得

到不同的电机速度，从而实现调速。

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来实现PWM，在PWM调速系统中占空比是一个重要参数，电源电压不变时，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值：

定宽调频法：保持不变，只改变t，使周期也随之改变。

调宽调频法：保持t不变，只改变，使周期或频率也随之改变。

定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。

（1）、（2）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，因而不合适，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。

控制程序的设计

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P1.1的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整P1.1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。

系统硬件电路的设计

系统总体设计框图及单片机系统的设计

本系统采用STC89C51控制输出数据，由单片机IO口产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路将实时转速送回单片机，进行转速显示，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。

图2-1系统总体设计图主控芯片

主控芯片

STC89C51单片机简介

STC89C51单片机的组成

STC89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊