基于L298N的直流电机调速控制设计.docx
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基于L298N的直流电机调速控制设计
学校代码：
11517
学号：
6
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XX工程学院
毕业设计任务书
题目基于L298的直流电机调速控制
专业机械设计制造及其自动化学号
主要内容
1.了解直流电机的调速方法和发展现状；
2.了解所用单片机的使用及开发流程；
3.了解L298的使用方法；
4.选择调速方案和熟悉方案的工作原理，
5.绘制仿真电路图编写C语言程序；
6.调试仿真原理图无误，购买实物并焊接；
7.调试实物成功编写设计说明书。
基本要求
1.利用l298驱动器、51单片机及有关辅助元件构成一个完整调速控制系统，实现一个简单的开环调速控制。
2.根据要求设计调速原理图。
3.绘制仿真原理图。
4.系统调试，先在protues仿真软件上进行实时仿真，然后在实际硬件电路中进行实时调试。
5.写出运行结果报告，撰写说明书。
主要参考文献
[1]潘永雄.新编单片机原理与应用[M].：
XX电子科技大学，第二版
[2]X学坚.微型计算机原理及应用[M].：
清华大学，2006（4）
[3]阎石.数字电子技术基础[M].：
高等教育，2003.12
[4]孙绪才.L298N在直流电机PWM调速中的应用[J].潍坊学院学报，2009.04
[5]潘新民.微型计算机控制技术[M].电子工业，2003.3
[6]王兆安.电力电子技术[M].机械工业，2005.7
[7]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].：
机械工业，第三版
[8]李朝青.《单片机原理及接口技术》［M].航空航天大学，1998
[9]李广弟.《单片机基础》［M］.航空航天大学，1994
[10]阎 石.《数字电子技术基础》（第三版）［M］.高等教育，1989
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[13]陈景贤.单片机控制的直流电机PWM调速控制器设计[J].XX师X学院学
报,2008
[14]杨靖.用单片机控制的直流电机调速系统[J].机床电器,2008
[15]卢春华,姚海燕,X莉.基于单片机的直流电机调速系统设计[J].硅谷,2009
完成期限：
2012年12月25日至2013年6月12日
指导教师签名：
专业负责人签名：
2012年12月25日
基于L298的直流电机调速控制系统设计
摘要
直流电机具有良好的启动性能和调速特性。
首先启动转矩大：
带电刷的励磁直流电机产生的电流比感应式大，故产生力矩大。
调速性能好：
在宽广的X围内平滑地调速，过载能力强。
与交流相比，虽然结构复杂，生产成本高，维护工作量大，但是直流电机调速在数控机床，纺织机械，电工机械等领域广为应用。
我们生活中熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，也都不能缺少直流电机，可见直流电机的控制是一门很实用的技术。
本文的设计是基于L298的直流电机调速控制，运用常见的89c51单片机为控制核心，采用L298为驱动芯片，Lcd1602为液晶模块显示，设计出的直流电机调速系统。
采用的原理是PWM占空比调速，PWM占空比调速是一种常用的调速方法，它通过改变负载两端的电枢电压，调整高低电平的时间长短来控制占空比从而实现调速。
关键字：
直流电机；PWM；L298
ARegulatingSpeedSystemofDCMotorBasedOnMCU
ABSTRACT
DCmotorhasagoodstartupperformanceandspeedcharacteristics,itischaracterizedbylargestartingtorque,maximumtorque,canbeinawiderangeofsmooth,economicalspeed,speediseasytocontrol,highefficiencyandspeedregulation.paredwiththeACspeedregulation,althoughitsstructureisplex,theproductioncostishigh,largemaintenanceworkload.ButDCmotorspeedcontrolinCmachinetools,textilemachinery,electricalmachineryandotherwidelyapplicationfield.Allofusinourdailylife,familiarphonographrecorder,videocamera,puter,alsocannotlackofDCmotor,DCmotorcontrolisvisibleisapracticaltechnology,sotheDCmotorspeedcontrolisofgreatsignificance.ThispaperisthedesignofDCmotorspeedcontrolbasedonL298,usingthemon80C51MCUasthecontrolcore,usingL298asthedriverchip,Lcd1602LCDmodule,DCmotorspeedcontrolsystemdesign.Speedasfeedbacksignaltoachievespeedcontrol,generatedbytheMCUPWM,toadjustthemotorspeed,binedwithitsperipheralcircuit,canrealizethemotorspeedcontrol,thespeedofon-linemonitoringanddisplayfunction.
KEYWORDS:
DCmotor，PWM，L298
1绪论
1.1直流电机的发展
在现代工业中，电动机作为电能转换转换为机械能的装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业领域中。
在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，有直流调速系统和交流调速系统。
交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。
而直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,调速X围广,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动,制动和反转,能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
传统的直流电机和交流电机各有优缺点,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问题。
交流电机,不论是异步电机还是同步电机,结构都比直流电机简单,工作也比直流电机可靠,但在频率恒定的电网上运行时,它们的速度不能方便而经济地调节。
由于自动控制技术、电力电子技术、传感器技术、和微机应用技术的发展成就，使得直流调速也发生翻天覆地的变化。
从开始的电力电子器件晶闸管发明至产品功率集成电路（PIC）。
多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争,新的应用也不断出现。
后来利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用,如AT89C51等。
在单片机控制系统中,单片机作为系统控制的核心,主要用来完成一些算法,同时还要处理一些输入/输出、显示任务等,单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。
微机出现于20世纪70年代,随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜。
此外,电力电子的发展,使得大功率电子器件的性能迅速提高。
因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机,完成各种新颖的、高性能的控制策略,使电机的各种潜在能力得到充分的发挥,使电机的性能更符合使用要求,还可以制造出各种便于控制的新型电机,使电机出现新的面貌
。
1.2直流电机调速的研究意义
最早出现的电动机是直流电动机，最早实现调速的也是直流电机。
众所周知,与交流调速系统相比,由于直流调速系统的调速精度高,调速X围广,变流装置控制简单,长期以来在调速传动中占统治地位。
在要求调速性能较高的场合,一般都采用直流电机调速。
目前,通过对电动机的控制,将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。
三十多年来,直流电机传动经历了重大的变革。
首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久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了一次大的跃进。
同时,控制电路已经实现高集成化、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X围不断扩大。
直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化。
由于直流电机调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步,尤其是全数字直流系统的出现,更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
所以,今后一个阶段在调速要求较高的场合,如轧钢厂、海上钻井平台等,直流调速仍然处于主要地位。
早期直流电机的控制系统采用模拟分离器件构成,由于模拟器件有其固有的缺点,如存在温漂、零漂电压,构成系统的器件较多,使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。
随着计算机控制技术的发展,直流调速系统已经广泛使用微机,实现了全数字化控制。
由于微机以数字信号工作,控制手段灵活方便,抗干扰能力强。
所以,全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高
。
1.3本次设计的的要求
本设计是基于L298的直流电机调速控制设计，通过AT89C51单片机和L298N实现直流电机的加速，减速，反转，停止，以及相关软硬件设计。
首先根据需要绘制proteus仿真图，然后编写C程序，最后仿真调试成功后进行硬件电路板的焊接调试等工作。
2设计方案选择
2.1直流电机的调速方法
直流电机是人类最早发明和应用的一种电机，与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等因素制约了他的发展，应用不如交流电机广泛，但是，因为直流电机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。
直流电机的结构原理图如图1-1所示：
图2-1直流电机结构原理图
虽然不同励磁方式的电机机械特性不同，但他们的转速都是由公式
（2-1）
计算而得,式中
—电枢供电电压（V）；
——电枢电流（A）；Φ——励磁磁通（Wb）；
——电枢回路总电阻（Ω）；
——电势系数
。
（2-2）
其中p为电磁对数，
为电枢并联支路数，N为导体数。
由式可见，直流电动机的调速方法可以分为
1.电枢回路串电阻的调速方法，
2.调节励磁磁通的励磁控制方法,
3.调节电枢电压的电枢控制方法。
在上述三种方法中，电枢回路串电阻后机械特性变软，系统转速受负载波动的影响较大，空载和轻载时能够调速的X围非常有限。
另一方面，因调速电阻容量较大，一般多采用电器开关分级控制，不能连续调节，只能有级调速。
同时所串的调速电阻上通过很大的电枢电流，会产生很大的功率损耗，转速越低。
需串入的电阻值越大，损耗越大，这样使电动机的效率大为降低。
该方法多用于对调速性能要求不高，而且不经常调速的设备上；励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时，转速越高，换向越困难。
电枢反应和换向元件中电流的去磁效应对于转速稳定性的影响较大，并且励磁线圈的电感较大，系统的动态响应较差。
调节电枢电压的电枢控制方法一般不超过额定电压
。
所以只能在低于额定转速的X围进行调节。
在降低电枢端电压时，电动机的机械特性硬度不变，转速受负载波动的影响较小，速度的稳定性好，而且不管拖动哪一类负载，只要电压可以连续调节，系统的转速就可以连续变化，该方法可以实现无级调速，多用于对
调速性能要求较高的设备上。
在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中．目前广
泛应用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值
（占空比）来控制电机的转速。
这种方法称为脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）即PWM控制.
这里我采用了第一种改变电机两端电压的方法，采用脉冲控制PWM，改变占空比，从而改变电机两端电压，调节转速
。
2.2PWM调速方式
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，从而达到直流电机调速的一种方法。
PWM调速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。
占空比就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比。
例如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：
1000，也就是说PWM的占空比就是1：
5。
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，来控制电动机的转速。
也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图1-2所示：
图2-2PWM方波
占空比的公式为
其中
为一个周期内开关导通（即高电平）的时间，T为一个周期。
占空比D表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值，变化X围为0≤D≤1。
当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值为
，因此改变占空比D就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理
。
而改变占空比D的值有三种方法：
调宽调频法：
保持
不变，只改变
，这样使周期（或频率）也随之改变。
定宽调频法：
保持
不变，只改变
，这样使周期（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
。
调宽调频法和定宽调频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，使电路不稳定。
因此常采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。
2.3基于L298的调速方案设计
由上所述，我选择的基于L298的直流电机调速控制方案为：
利用AT89C51单片机进行核心控制，因为它的控制功能强、可靠性高、易扩展、成本低、市场上较为普遍。
由L298芯片组成的驱动模块，因为L298N电机驱动芯片是一种高电压、大电流电机驱动芯片，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；并且驱动电路简单，使用方便，它的Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1-input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转，对于本设计直流电动机的驱动，完全满足于需要。
由LCD1602作为显示模块，它可以显示大小英文字母、符号，而本设计中要显示字母。
由四个独立按键作为按键模块，因为它的结构简单、方便可靠，适合于按键比较少的情况。
由C语言程序驱动单片机运行，分别在按下加速、减速、停止、反转键来实现电机的调速。
其结构模块如下图所示：
图2-3结构模块图
3硬件电路的设计
3.1L298N驱动模块
L298N是SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的全桥步进电机专用驱动芯片,内部包含四信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，接受标准的TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机。
该芯片具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
可以直接通过电源来调节输出电压；此芯片可以直接用单片机的I/O口提供模拟时序信号，电路简单，使用方便。
L298N的引脚如图3-1所示，外形图如3-2所示，输入输出端如图3-3所示。
Pin1和Pin15可与电流侦测电阻连接来控制负载的电路；OUT1、OUT2、和OUT3、OUT4之间分别接两个电机；input1-input4输入控制电位来控制电机正反转；Enable则控制电机停转
。
图3-1L298N引脚图
图3-2外形图
L298的输入输出关系如下表所示：
表3-1L298N输入输出关系
ENA
IN1
IN2
电动机运行状态
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
H
H
急停
L
X
X
停止
数据来源：
2009年《潍坊学院学报[J].L298N在直流电机PWM调速系统中的应用》，
根据L298N的输入输出关系,使能控制端ENA接AT89C51的P3.0口,并连接示波器显示占空比,单片机IO口P3.1和P3.2分别接入L298N输入端IN1和IN2，可以控制电动机的正反转（输入端IN1为PWM信号,输入端IN2为低电平,电动机正转;输入端IN2为PWM信号,输入端IN1为低电平,电动机反转）;电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。
连接如图3-4
图3-3L298驱动电路
3.2LCD1602显示模块
液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性实现显示信息。
液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
这里所使用的1602字符型液晶模块是一个可以显示2行16个字的1602液晶模块。
LCD1602引脚介绍其中：
引脚1：
（VDD/VSS）电源5V或接地。
引脚2：
（VDD/VSS）接地或电源5V。
引脚3：
（
）液晶显示偏压信号，液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
引脚4：
（RS）寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
引脚5：
（R/W）读/写选择，RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
引脚6：
（E）使能操作。
引脚7-14：
D0～D7为8位双向数据端。
引脚15-16：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极
。
表3-2LCD1602输入输出关系表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
VSS为地电源
9
D2
DataI/O
2
VDD
VDD接5V正电源
10
D3
DataI/O
3
VEE
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
0输入指令，1输入数据
12
D5
DataI/O
5
R/W
0写入指令或数据，1读信息
13
D6
DataI/O
6
E
1读取信息，1→0执行指令
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
数据来源：
《1602使用手册》，
引脚3需要接可调电阻，可调电阻的电阻值的大小可以人为调节，以满足电路的需要，在这里主要是使显示亮度清晰。
可调电阻有滑动变阻器、电阻箱、电位器三种，这里所使用的是电位器。
电位器是一种可调的电子元件。
它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。
当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。
下面是各种电位器的样图。
图3-4各种电位器图
图3-5LCD显示电路
3.3AT89C51单片机模块
图3-6为AT89C51单片机的基本结构示意图。
该单片机主要由以下几部分组成。
图3-6单片机基本结构示意图
（1）一个8位微处理器CPU。
（2）数据存储器RAM和特殊寄存器SFR.
（3）内部程序存储器ROM。
（4）两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。
（5）四个八位可编程的I/O并行端口，每个端口即可做输入又可做输出。
（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。
（7）中断控制系统。
（8）内部时钟电路
。
AT89C51的P0口由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动及控制电路组成。
P0口作为IO口。
当作为输出口时使用时，内部控制发0电平使“与”门输出为0，场效应V1截止，此时多路开关MUX与锁存器
端接通。
输出数据时，内部数据加在锁存器D端，当CL端的写脉冲出现后，与内部总线相连的的D端数据取反后出现在
端，经产效应管V2反向后出现在P0引脚上。
由于输出电路为漏极开路式，需要外接上拉电阻，一班为5-10
。
作为一般IO口使用时，P0口也是一个准双向口，即在输入数据时，应先向端口锁存器写1，使
为0，两个场效应管都截止，引脚处于悬浮状态，作为高阻抗接入。
P0口还可以作地址数据总线。
AT89C51的P1口时通用IO准双向动态端口，输出的信息有锁存。
P0与P1主要的区别是P1端口用内部上拉电阻代替了场效应管V1，且输出信号仅来自内部总线。
P1口时单片机中唯一的仅有单功能I/O口。
AT89C51的P2口比P1口多了转换控制部分，当系统扩展片外程序存储时，P2端口用来周期性的输出从外存中取指令的高八位地址（A8-A15）此时MUX在CPU的控制下切换到与内部总线地址相连。
因地址信号不间断不能做I/O口了。
AT89C51的P3口比P1口多了一个与非门与一个缓冲器，使其个端口有两种功能选择。
处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时输出与P1相同。
内部总线信号经锁存器和场效应管输出。
处于第二功能时，锁存器由硬件自动置1，使与非门对第二功能畅通。
此时，读引脚信号无效，三态缓冲器不通，第二功能信号经缓冲器送入第二功能输入端
。
P3口的第二功能表如下图3-7：
表3-2P3口第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD
P3.1
TXD
P3.2
INT0
P3.3
INT1
P3.4
T0
P3.5
T1
P3.
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