基于单片机的直流电机调速系统的课程设计 .pdfVIP

一、总体设计概述

本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件，L298N为直流伺服

电机的驱动芯片，利用PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩

阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的

变化值。

二、直流电机调速原理

根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线

有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式：

式中U——电压；

Ra——励磁绕组本身的内阻；

——每极磁通（wb）;

Ce——电势常数；

Ct——转矩常数。

由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。

磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的

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。

电枢控制法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来控制

电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻

改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上

要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发

展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器

进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、

精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。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的电压的“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”。如

果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平

均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转

速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。

三、系统硬件设计

1、调速系统总体分析设计

以单片机作为控制的核心，采用H桥电路芯片L298完成电机驱动主电路，霍尔

器件构成速度采集并转换为脉冲电路，PWM模拟发生器，通过LCD显示器输出电

机的转速与3*4的键盘组成人机接口电路实现起动、加速、减速、反转、制动的

功能。

总体硬件电路设计：

LCD显示器80C51单片机（速度霍尔速度采集电路

的测量计算、输入)

设定及系统控制

直流电机

矩阵键盘

单片机模拟发生器）（PWM

L298N电机驱动电路

图一：整体方案框图

2、PWM信号发生电路

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端

的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比

如：电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据

需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上

电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转所

示：2-8又被称为“开关驱动装置”。如图PWM速。也正因为如此，

图二：PWM方波

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/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=t1/T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机

平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严

格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

3、单元模块设计

㈠驱动主电路模块

功率放大驱动芯片有多种，此次我们所用的芯片为L298主控芯片。

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．