基于89C51的直流电机控制课程设计论文.docx
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基于89C51的直流电机控制课程设计论文
课程设计（论文）
题目名称基于89C51的直流电机控制
课程名称单片机原理及应在电气测控学科中的应用
邵阳学院课程设计（论文）任务书
年级专业
10电气工程及其自动化
学生姓名
学号
题目名称
基于89C51的直流电机控制
设计时间
2012年5月21日—2012年6月1日
课程名称
单片机原理及应在电气测控学科中的应用
课程编号
121200105
设计地点
数字控制与PLC实验室（305）
一、课程设计（论文）目的
课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。
单片机课程设计，要求学生更多的完成软硬结合的动手实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象.《单片机课程设计》是继《电子技术》、和《单片机原理与应用》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程“电子技术基础”、“单片机原理及应用”的基本知识，独立进行单片机应用技术和开发工作,掌握单片机程序设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。
二、已知技术参数和条件
1、直流电机参数：
DC5V、12W
2、KEIL软件；Wave软件、protuse软件
3、THKSCM-1型单片机实验系统。
三、任务和要求
设计要求掌握直流电机的基本原理；掌握直流电机驱动电路的设计；掌握直流电机控制程序设计。
设计一个直流电机控制系统，控制直流电机正反转，启动和停止，电机的速度可调。
1、要求设计出电气原理图；
2、要求设计出程序流程图；
3、要求设计出程序；
4、要求做出实物或者仿真调试。
注：
1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效；
2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。
四、参考资料和现有基础条件（包括实验室、主要仪器设备等）
1、单片机课程设计指导，北京航空航天大学出版社，楼然苗等2007年7月
2、单片机实验与实践教程，北京航空航天大学出版社，何立民等2004年7月
3、THKSCM-1型单片机实验系统实验指导书、KEIL软件，WAVE软件
4、数字控制与PLC实验室”THKSCM-1型单片机实验系统”。
五、进度安排
2012年5月21日-22日：
收集和课程设计有关的资料，熟悉课题任务何要求总体方案设计
2012年5月23日-25日：
硬件电路设计
2012年5月26日-28日：
软件设计
2012年5月29日-30日：
系统调试改进
2012年5月31日：
整理书写设计说明书
2012年6月1日：
答辩并现场考核
六、教研室审批意见
教研室主任（签名）：
年月日
七|、主管教学主任意见
主管主任（签名）：
年月日
八、备注
指导教师（签字）：
学生（签字）：
谢曹杙
邵阳学院课程设计（论文）评阅表
学生姓名学号
系电气工程系专业班级10电力一班
题目名称基于89C51的直流电机控制课程名称单片机原理及应在电气测控学科中的应用
一、学生自我总结
通过本次的电子课程设计，使我加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高了自身综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。
锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，为以后毕业设计打下一定的基础。
更重要的是在朱群峰老师的指导下，得以完成本次的电子技术课程设计。
学生签名：
谢曹杙年月日
二、指导教师评定
评分项目
平时成绩
论文
答辩
综合成绩
权重
30
40
30
单项成绩
指导教师评语：
指导教师（签名）：
年月日
注：
1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面2、表中的“评分项目”及“权重”根据各系的考核细则和评分标准确定。
摘要
直流电机具有良好的线性调速特性和控制性能，使其调速控制占主流地位尽管交流变频电机步进电机等在控制调速领域的应用比较广泛，但直流电机调速仍是大多数调速控制电机的最佳选择89C51单片机支持C语言编程，可移植性好，速度快，已被广泛应用于机电一体化工业控制智能仪器仪表等领域现应用89C51单片机对直流电机速度进行有效测试和控制，通过对直流电机转速脉冲和中断
次数的计数，可实现根据输入值控制直流电机的转速根据设计需要，通过测量原件把检测到的直流电机转速读入到89C51单片机中，再通过编程使读入的数值在显示器上显示出来若检测到的电机转速等于设定值，则对直流电机的转速进行记录；若检测到的电机转速没有达到设定值，则通过加大数值或模数转换芯片使电机速度提升至设定值；若检测到电机转速超过设定值则通过模数转换芯片把电机速度降至设定值通过这种实时检测和在线控制的方式使单片机能够对直流电机转速进行有效控制，使其按给定的速度旋转。
关键字:
89c51单片机;直流电动机;转速
前言...............................................................................................................1
1绪论.......................................................................................................2
1.1直流电动机控制的发展历史...............................................................2
1.2直流电动机控制的研究现状...............................................................4
1.3本课题主要研究内容和意义................................................................3
2直流电机硬件电路设计及描述程序...................................................6
2.1直流电机的结构...................................................................................6
2.2直流电机的工作原理...........................................................................6
2.3电磁关系...............................................................................................6
2.4直流电机主要技术参数.......................................................................6
2.5直流电机的类型...................................................................................7
2.6直流电机的特点...................................................................................7
2.7元件介绍...............................................................................................7
3基本原理.............................................................................................12
3.1设计思路.............................................................................................12
3.2电机正反转控制原理.........................................................................12
3.3电机的启动与停止.............................................................................13
3.4电机的调速.........................................................................................13
4程序流程图.........................................................................................15
5控制电路图.........................................................................................16
5.1程序电路图.........................................................................................16
5.2程序运行图.........................................................................................17
6程序设计...............................................................................................18
7设计总结与体会...................................................................................21
8参考文献...............................................................................................22
9致谢.......................................................................................................23
前言
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。
无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。
据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。
同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。
电动机与人的生活息息相关，密不可分。
电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。
还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。
[13]
1绪论
本章介绍了直流电机的特点及其发展概况，然后介绍了直流电机在工业控制等领域中的具体应用，同时阐述了直流电机控制中有待研究的问题。
并在此基础之上介绍了本课题的选题背景和意义，最后列出了本文研究的主要内容及全文的结构安排。
1.1直流电动机控制的发展历史
常用的控制直流电动机有以下几种:
第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。
但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。
第二，三十年代末，出现了发电机-电动机（也称为旋转变流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一）、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。
但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。
第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流器代替上述发电机、电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。
特别是它的系统快速响应性是发电机、电动机系统不能比拟的。
但是汞弧变流器仍存在一些缺点:
维修还是不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。
第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。
由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。
晶闸管变流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧变流器（放大倍数1000）高10倍;在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。
[14]
从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。
同时，控制电路实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。
微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。
近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREGK6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。
随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。
例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。
随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。
电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。
变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。
正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。
其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。
电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。
其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。
永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。
由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。
所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。
[17]
在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。
为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。
1.2直流电动机控制的研究现状
数字直流调速装置，从技术上，它能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广一阔的应用前景。
[18]
国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。
我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。
目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
我国关于数字直流调速系统的研究主要有:
综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。
[19]
随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。
因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulsewidthmodulation,简称PWM）方向发展。
[16]
我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。
但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。
目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。
[12]
1.3本课题主要研究内容及意义
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，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，更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。
稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化适应能力差。
直流电机的数学模型很容易得到，这使得经典控制理论在己知被控对象的传递函数才能进行设计的前提得到满足，大部分数字直流调速控制器就是建立在此基础上的。
然而，在实际的传动系统中，电机本身的参数和拖动负载的参数并不如模型那样一成不变，尤其对于中小型电机，在某些应用场合随工况而变化;同时，直流电机本身是一个非线性的被控对象，许多拖动负载含有弹性或间隙等非线性因素，因此，被控对象的参数变化与非线性特性，使得线性常参数PID调节器顾此失彼，不能使系统在各种工况下都能保持设计时的性能指标，往往使得控制系统的鲁棒性差，特别是对于模型参数大范围变化且具有较强非线性环节的系统，常规PID调节器难以满足高精度、快响应的控制要求，常常不能有效克服负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响。
在工程上，这种控制器就很有可能满足不了生产的需求，如:
轧钢工业同轴控制系统、回转窑传动装置、轧辊磨床拖板电控系统等都需要在生产过程中保持稳定的转速要求，而生产负载参数却是随着工况变化的。
[7]
模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直流调速装置的缺点，可将模糊控制与PID调节器结合，形成fuzzy-PID复合控制方案，设计能在负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下均可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。
[5]
2直流电机的硬件设计及描述
2.1直流电机的结构
直流电机由定子和转子两部分组成。
在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出。
图2.1图2.2
2.2直流电机的工作原理
直流电机电路模型，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。
当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。
根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。
图2.3图2.4
机械负
载
比较器
反电动势
电磁转矩
（拖动转矩）
交流电流
直流电流
2.3电磁关系
2.4直流电机主要技术参数
直流电机的主要额定值有：
额定功率Pn：
在额定电流和电压下，电机的负载能力。
额定电压Ue：
长期运行的最高电压。
额定电流Ie：
长期运行的最大电流。
额定转速n：
单位时间内的电机转动快慢。
以r/min为单位。
励磁电流If：
施加到电极线圈上的电流。
2.5直流电机的类型
直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：
直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。
下面以直流电动机作为研究对象。
2.6直流电机的特点
通过电刷间的电流与导体电流的性质不同；通过电刷电流为直流电流，导体电流为交变电流；电枢电势与电流反方向，称为反电势。
电磁转矩的方向与电机的转向相同，为驱动转矩。
作为电动机运行：
在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行：
用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。
2.7元件介绍
（1）DAC0832（数模转换器）
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
a.主要特性参数：
分辨率为8位电流稳定时间1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V～+15V）；低功耗，200mW。
b．芯片结构：
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有
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