基于l298直流电机调速控制设计本科学位论文.docx
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基于l298直流电机调速控制设计本科学位论文
学校代码：
11517
学号：
201010310339
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计（论文）
基于L298直流电机调速控制设计
BasedontheL298dcmotorspeedcontroldesign
姓名陈恒子
专业名称机械设计制造及其自动化
学号201010310339
院（系）机械工程学院
指导教师耿国强
年月日
基于L298直流电机调速控制设计
摘要
电机在各行各业发挥着重要的作用，而电机转速是电机其中一个重要的性能指标，因而检测电机的转速和电机的调速，使它满足人类的各种需要，更显得格外重要，而且随着科技的发展，PWM调速成为直流电机调速的新方案。
随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各钟领域中得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统没有的优势，例如抗干扰性强，便于与电脑连接，系统容易维护升级。
本设计是以单片机AT89S52单片机和L298芯片控制的直流电动机脉宽调制系统。
利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统设计、能够使系统结构简化、成本降低、系统性能增强、满足许多应用场合的应用。
系统实现对电机的正、反转、停止、加、减速的控制，以及PWM的占空比在LED显示器上的显示。
现在电气传动的主要方向之一就有电机调速系统采用微控制处理器实现数字化的控制。
从20世纪90年代后期起,世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速转动装置,经过30几年的发展,当前直流电机调速已发展成一个很高的技术水平:
功率元件采用了可控硅、表面安装技术应用于控制板、控制方式采用了电源换相、相位控制。
特别是采用了微控制处理器以及它的先进电力电子技术,使得数字式直流调速装置在精度准确性、控制性能的优良性以及抗干扰的性能上有很大的提高与发展,在国内外得到了广泛的应用。
长期以来，由于直流电动机具有很好的线性调速性能，简单的控制功能，较高的效率，优良的动态特性，广泛应用于调速控制系统中。
特别是到计算机进入控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件（GTR、GTO、MOSFET、IGBT等）的发展，脉宽调制（PWM）的直流调速系统在调速控制中得到越来越普遍的应用。
关键词：
直流电机；AT89S52；L298；PWM调速
BasedOnTheL298DcMotorSpeedControlDesign
Abstract
Motorplaysanimportantroleinallwalksoflife,andthemotorrotationspeedisoneoftheimportantperformanceindexes,anddetectthespeedofthemotorandmotorspeedregulation,makeitmeetthevariousneedofhumanbeings,seemedallthemoreimportant,andwiththedevelopmentofscienceandtechnology,becomethenewschemefordcmotorspeedcontrolPWMspeedadjustment.
Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,microcontrollerinthefieldofsocialeachclockhasbeenwidelyused,duetothedigitalsystemhavetheadvantageofsimulationsystemhasnosuchasstronganti-interference,easytoconnectwithcomputer,easytomaintenanceupgradesystem.
ThisdesignisbasedonsinglechipAT89S52singlechipmicrocomputerandL298chipcontroldcmotorPWMsystem.UseAT89S52chipforlowcostdcmotorcontrolsystemdesign,canmakethesystemtosimplifystructure,lowercostandenhancingtheperformanceofthesystem,tosatisfytheapplicationofmanyapplications.Systemimplementationofmotorpositiveandreverse,stop,plus,decelerationcontrol,aswellasthePWMdutycycleinLEDdisplayonthedisplay.
Nowoneofthemaindirectionofelectricaldrivehavemotorspeedcontrolsystemiscontrolledbymicroprocessortorealizethedigitalcontrol.Sincethelate1990s,theworld'smajorelectricalcompaniesareracingtodevelopdigitalspeedrotatingdevice,after30yearsofdevelopment,thecurrentofdcmotorspeedcontrolhasdevelopedintoahightechnicallevel:
powerdeviceadoptsthyristor,surfacemounttechnologyappliedinthecontrolpanel,controlmodeadoptedpowerphase,phasecontrol.Especiallyadoptstheadvancedmicrocontrolprocessoranditspowerelectronictechnology,thedigitaldcspeedregulatingdeviceinprecisionaccuracy,controlperformanceisbetter,andtheanti-jammingperformancehastheverybigimprovementanddevelopment,hasbeenwidelyusedathomeandabroad.Foralongtime,becausethedcmotorhasgoodlinearspeedregulatingperformance,simplecontrol,highefficiency,excellentdynamiccharacteristics,widelyusedinthecontrolofmotorspeedcontrolsystem.Especiallyinthefieldofcomputersincontrolandhighswitchfrequency,fullcontrolofthesecondgenerationpowersemiconductordevices（GTR,decision,MOSFET,IGBT,etc.）,thedevelopmentofpulsewidthmodulation（PWM）dcspeedcontrolsystemgetmoreandmorewidespreadapplicationinthecontrolofmotorspeedcontrol.
KEYWORDS:
dcmotor;AT89S52devices;L298，PWMspeedregulation
1绪论1
1.1直流电机1
1.1.1直流电机的发展1
1.1.2直流电机控制方法1
1.1.3直流电机工作原理2
1.1.4直流电机主要的技术参数2
1.2单片机以及微控制处理器控制系统的发展2
2系统论述3
2.1设计背景4
2.2设计思路4
2.3系统框架设计4
3PWM脉宽调制原理5
3.1PWM调速原理5
3.2PWM调速方法6
3.3PWM实现方式6
3.4PWM控制流程图.6
4系统硬件设计7
4.1系统基本组成7
4.1.1硬件模块组成7
4.1.2单片机整个控制模块7
4.2AT89S52的简介8
4.2.1AT89S52的主要性能8
4.2.2AT89S52主要的功能列举9
4.2.3AT89S52各引脚的功能介绍9
4.2.4AT89S52的内部资源12
4.3L298电机驱动模块13
4.3.1L298电机驱动简介13
4.3.2L298内部的原理图13
4.3.3L298内部H桥驱动电路13
4.3.4L298引脚符号及功能15
4.3.5L298的逻辑功能15
4.3.6本系统中单片机与L298的连接16
4.4LED数码管显示16
4.4.1LED简介16
4.4.2LED七段数码管的结构17
4.4.3常见数字和字符的字段码18
4.4.4LED显示简单的程序流程19
4.4.5本系统中单片机与LED的连接19
4.5独立键盘控制模块20
4.5.1键盘的功能及分类20
4.5.2独立式键盘20
4.5.3本系统中独立式键盘与单片机的链接21
5系统软件设计21
5.1主程序流程图21
5.2定时器中断程序流程图22
5.3LED数码管显示PWM占空比流程图23
5.4独立式键盘控制流程图24
结论25
致谢26
参考文献26
1绪论
1.1直流电机
1.1.1直流电机的发展
直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空、国防等各种领域中已经得到了普遍的应用。
而以前直流电动机的控制只是简单的控制，不容易进行调节转速，不能实现智能化。
如今，直流电动机的变速控制已经都是单片机的控制，单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会进入了自动化的新时代，单片机应用技术和其他学科领域的交叉融合，促进了学科发展和专业发展，引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。
现代科学技术的快速发展，改变了世界，也改变了人类的生活。
由于单片机的体积小、重量轻、功能强大、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等优点，计算机性能的不断提升，单片机的应用也更加广泛使用特别是在各种领域中的控制、自动化等方面。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要装置，一是要具有很高的能量转换效率；二是应能根据生产工艺的需求进行调整转速。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能起着直接的决定性作用。
因此，调速技术一直是研究的热点。
1.1.2直流电机的控制方法
直流电机由于具有速度控制方便，启动制动性很好，而且能在很大范围内平滑的调速等优点，而在电力、冶金、机械制造、国防等工业部门中得到广泛应用。
直流电机转动速度的控制方法可分为两种：
励磁控制阀与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通，其控制功率虽小但低速转动时受到磁场饱和的控制，高速时候受到换向火花与转向器结构强度的控制，而且由于励磁线圈电感大动态响应慢。
因此常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
传统的改变端电压的方法是通过调节电阻大小来实现的，但这种调压方法效率低。
伴随着电工电子技术的发展，创造出了许多新的电枢电压控制方法。
其中脉宽调制是常用的一种调速方法。
其基本原理就是是用改变电机电枢电压的接通和断开的时间比（即占空比）来控制电机的转动速度，在脉宽调速系统中当电机接通时，其速度增加，电机断开时，其速度降低。
只要按照一定的规律改变通断开的时间，就可使电机的速度保持在一个稳定值上。
直流电机可以根据其结构、工作原理等进行分类，根据直流电机的用途可分为直流电动机（电能转化为机械能）、直流测速发电机（机械信号转化为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转化为机械信号）等几种。
1.1.3直流电机工作原理
直流电机电路构造如图1-1所示，磁极S、N间装有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abcd。
当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，因此产生了转动。
由左手定则可知，当流过线圈中的电流改变方向时，线圈的方向也将随之发生改变，因此通过改变线圈电路的方向可以实现改变电机转动的方向。
直流电机模型结构见图1-1。
图1-1直流电机电路模型结构
1.1.4直流电机主要的技术参数
直流电机的额定值有：
额定电流Ie：
正常运行的最大电流。
励磁电流If：
施加在电机线圈上的电流。
额定功率Pn：
在额定电流和额定电压下，电机的负载能力。
额定电压Ue：
正常运行的最大电压。
1.2单片机以及微控制处理器控制系统的发展
单片机和微型计算机的诞生是一个新的里程碑在计算机发展史上。
近年来，伴随着科学技术的发展和提高，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的使用更加宽广，特别是在智能机器人中的使用。
直流电动机的启动和调速性能、过载能力强等特点显得格外重要，为了能够适应社会发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了较大的发展和运用。
而作为单片嵌入式系统的中心—单片机，正朝着多功能、多向选择、高速度、低功率、价格低廉、存储容量多和强I/O功能等方向发展。
随着计算机运行的不断提高，功能的不断改进，单片机已越来越广泛地用在各种领域的控制、自动化、智能等方面，特别是在直流电动机的变速控制系统中。
这是因为单片机具有很多优点：
体积小，功能强大，抗干扰能力好，可靠性高，结构安排合理，指令丰富，控制功能强，造价低廉等。
因此选择单片机作为控制系统的核心以提升整个系统的可靠性和可行性。
很早之前直流传动的控制系统由模拟分离器件组成，因为模拟器件有其它本身自有的缺陷，如存在温漂、零漂电压，组成系统的器件很多，导致模拟直流传动系统的控制精度及可靠性很差。
随着计算机控制技术的飞速发展，直流传动系统普遍采用了微处理器，实现了全数字化控制。
由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
因此使得全数字直流调速控制精度、稳定性和可靠性比模拟直流调速系统有了很大提升。
所以，微处理器实现全数字化应用于直流调速系统，使直流调速系统迈进一个崭新的年代。
微处理器于20世纪七十年代出现，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的飞速发展，微处理器的性价比越来越高。
此外，因为电工电子技术的发展，制作工艺的提升，也使得大功率电子器件的性能迅速提高。
为控制电机普遍使用了微处理器提供了可能，利用微处理器控制电机达成了各种新颖的、高性能的控制方法，使电机的许多潜在性能得到了充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等控制方便而且实用的新型电机，使电机的发展出现了创新的变化。
对于简单的微处理器控制电机，只需利用微处理器控制继电器、电子开关元器件，对电路进行开通或断开操作就可实现对电机的控制。
现在微处理器的可编程控制器，已经普遍存在各种的机床设备和生产流水线中，通过对可编程控制器进行编程就可以达到对电机的规律化控制。
但是针对复杂的微处理器控制电机,而是通过微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等变量，使电机按照指定的指令准确的进行运作。
由于有了微处理器的控制，可使电机的性能有很大的提高。
目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等缺点；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，都比直流电机构造简单，工作也比直流电机稳定可靠，但是它们处于频率恒定的电网上运行时，它们的速度实现不了方便而经济地调节[2]。
高性能的微处理器如DSP（DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器）的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。
在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了这些高速微处理器，它们的执行速度可达数百万兆以上每秒，并且具有很好的矩阵运算。
2系统论述
2.1设计背景
近几年来，伴随着科技技术的发展，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越普遍的应用。
直流电机它具有调速特性良好,调速平滑、方便快捷,调速范围宽广;过载能力强,能够频繁承受冲击负载,可以实现频繁的无级快速起动、制动和正反转;使用时能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了很高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已经远远不能满足我们的要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法随即而产生。
2.2设计思路
直流电机PWM控制系统的功能主要有以下几种，包括实现对直流电机的加、减速以及电机的正转、反转和停止转动，并且可以调整电机的转速，能够简便快捷的实现直流电机的智能化控制。
主体电路是直流电机PWM的控制模块。
这部分电路主要由AT89S52单片机的I/O端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加、减速以及电机的正反转，并且可以调整电机的转动速度，能够很方便快捷的实现电机的智能化控制。
它是通过AT89S52单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到L298驱动芯片来控制直流电机进行转动运行的。
其直流电机PWM控制系统由以下几种电路模块沟成：
设计控制部分，主要由AT89S52单片机的外部中断扩展电路组成。
直流电机PWM控制实现部分主要由一些二极管、直流电机和L298直流电机驱动模块构成。
设计显示部分，主要是LED数码显示部分，它实现对PWM脉宽调制占空比的实时进行显示。
设计输入部分，这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来达到对直流电机的加、减速以及电机的正、反转和急停进行控制。
2.3系统框架设计
方案简介：
直流电机PWM调速系统主要以AT89S52单片机为控制的核心，由命令输入模块、LED显示模块及电机驱动模块组成。
利用带中断的独立式键盘输入命令，AT89S52单片机在程序的控制下，定时不断给L298直流电机驱动芯片发送PWM波形，H型驱动电路实现直流电机正，反转和急停控制；同时单片机不停的将PWM脉宽调制占空比传送到LED数码管完成实时的显示。
见图2-1。
图2-1系统框架设计
因为PWM调速系统的开关次数很多，所以仅靠电枢电感的滤波作用就可以得到稳定的直流电流，速度低性能好；同样，因为开关次数高，响应迅速性能好，动态抗干扰能力强，就可以得到很宽广的频带；开关器件只工作在开关的状态，主电路功率损耗低，装置效率高。
PWM抗噪性很强，而且有节约空间、比较经济实惠等优点。
另外，利用传统的直流电机调速系统的模拟电路容易随着时间进行飘移，因而会产生一些不必要的热能损耗，以及对噪声敏感等缺点。
而在直流电机调速系统利用了PWM技术后，避免了上述的缺点，实现了对数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低支出成本和功率损耗。
3PWM脉宽调制原理
3.1PWM调速原理
PWM（脉冲宽度调制）是利用控制固定电压的直流电源开关次数，来实现改变负载两端的电压大小，从而实现控制要求的一种电压调整方案。
PWM可以应用于许多的方面，譬如：
电机调速、温度控制、压力控制等等[7]。
在PWM驱动控制的调整系统中，按照一个不变的频率来接通和断开电源，并且根据需要来改变一个周期内“运行”和“停止”时间的大小。
通过变化直流电机电枢上电压的“占空比”来实现改变平均电压大小的目的，从而可以控制直流电动机的转速。
也正因为这样，PWM也被称为“开关驱动装置”，见图3-1所示。
图3-1 PWM信号的占空比
设电机一直接通电源时，电机转速最大值为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是指电机在接通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。
通过上面的公式可以知道，当我们把占空比D=t1/T改变时，就可以得到各种电机平均速度Va,从而实现了我们需要的调速目的。
严格来讲，平均速度Vd和占空比D并不是严格的线性关系，但是在通常的应用中，我们可以把它近似的当成是线性关系。
直流电机的速度调节既可利用电枢控制法,也可以通过磁场控制法。
磁场控制法控制磁通,它的控制功率虽然较小,但低速运行时受到磁极饱和的控制,高速时受到换向火花和换向器结构强度的控制,而且因为励磁线圈电感较小,动态响应较慢,一次在工业生产过程中通常使用的是电枢控制法。
电枢控制是在励磁电压不变的情况下,把控制电压信号放在电机的电枢上来影响电机的转速。
过去改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻,通过调节电阻大小改变电枢两端电压,从而达到调速的目的,所以说这种方法效率低、平滑度差,而且由于串联电阻上要消耗电功率,也引发出经济效益低,而且转速越慢,能量损耗越大等缺点。
随着电力电子的快速进步和发展,出现了大量新的电枢电压控制方法。
如:
通过交流电源提供电源,利用晶闸管整流器来相控调压;脉宽调制（PWM）调压等方法。
调压调速法因为平滑度高、能耗低、精度准确等优点,在工业生产中得到了广泛使用,尤其PWM应用更为广泛。
脉宽调速利用一个稳定的频率来调节电源的接通或断开,并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的大小,即通过变化直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电流的大小,从而改变电动机的转动快慢,所以PWM又被叫成“开关驱动装置”。
根据图1,如果电机始终接通电源时,电机转动最快时的速度为Vmax,占空比为D=t1*T,则电机的平均转动速度为:
VD=Vmax/D,显而改变占空比D大小,就可以得到各种需要的电机速度,从而实现改变速度的结果,非常严格地说,平均速度与占空比D它们之间并不是严格的线性关系,在一般的生产生活应用中,我们可以把其近似当成是线性关系。
3.2PWM调速方法
由于单片机类通过软件来达到我们需要的PWM：
在PWM调速系统中占空比D是一个决定性的参数，在电源电压
保持稳定的状态下，电枢端电压的平均大小受到占空比D的大小的影响，改变D的大小可以使电枢端电压的平均值发生变
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