直流电机转速控制系统设计开发

4.2.1 中断申请与控制 ........................................... 19 4.2.2 中断响应 ................................................. 20 4.3 AT89S52单片机的定时/计数 ...................................... 21 4.4 本章小结 ....................................................... 22 5.硬件电路设计 ........................................................ 23

5.1系统原理框图 ................................................... 23 5.2 各模块电路 ..................................................... 23

5.2.1 电源模块 ................................................. 23 5.2.2 电机速度检测模块 ......................................... 24 5.2.3 按键模块 ................................................. 24 5.2.4 电机驱动模块 ............................................. 25 5.2.5 速度显示模块 ............................................. 26 5.3 本章小结 ....................................................... 27 6.软件设计 ............................................................ 28

6.1 主程序设计 ..................................................... 28 6.2 键盘中断处理程序 ............................................... 29 6.3 PID算法程序 ................................................... 30 6.4 本章小结 ....................................................... 31 结论 .................................................................. 32 致谢 .................................................................. 33 参考文献 .............................................................. 33 附录一：系统原理图 .................................................... 34 附录二：PCB图 ......................................................... 35 附录三：源程序代码 .................................................... 36

IV

前 言

直流电机是最常见的一种电机，具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动等各个领域中得到了广泛的应用。与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护困难。但是直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点。因此在许多行业中仍有应用，因此具有很好的发展前景。

工业生产中，电机转速的检测与控制占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响，因此具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。在对电动机转速检测的过程中单片机和传感技术的应用目前已经相当重要和成熟。单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器以及过程控制方面，甚至电子玩具等各个领域，单片机都扮演着越来越重要的角色。它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。采用单片机技术对电动机参数进行高精度测量，既简单易行、开发方便，同时又能实现电机运行参数的在线检测，对提高电机的运行，改善其性能起到一定的作用。

在与单片机相结合的应用中，传感、检测和电子测量技术也是影响自动控制系统相当重要的因素，传感器件在信息采集和传输的准确度及即时性对于采用自动检测系统进行实时测量和分析产品性能有着至关重要的作用，可以说现代感测技术中传感器件的精度是保证产品性能和质量的重要环节。

本设计就是要以单片机为核心部件，可对直流电机的转向和转速进行设定，并利用PID调节使直流电机的转速的趋于设定值，并在数码管实时显示转速。本设计包括对硬件电路和软件系统的设计。通过这种方式达到对相关知识的系统掌握，并加强实际动手能力，做到理论与实际相结合。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。

随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展，通过各种方法对直流电机转速系统的研究，对提高直流电机转速控制系统的精度起着至关重要的作用。

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1.直流电机概述

1.1 直流电机的主要结构

如图1.1所示是一台小型直流电机的结构剖面图,它是由定子和转子两部分组成， 还有一部分是气隙，图中各个数字标号对应直流电机的一部分结构，1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心。主要组成部分简述如下：

1.1 直流电机结构图

1.1.1 定子部分

(1) 主磁极 主磁极的作用是在气隙中建立磁场,它包含主极铁芯和励磁绕组两部分。在直流电机中,主磁铁也可以采用永久磁铁,它不需要励磁绕组,叫做永磁直流电机。

(2) 换向极 换向器又叫附加极,装在相邻磁铁之间的几何中心线,其作用是改善直流电机的换向。换向极也由换向及铁芯和换向极绕组两部分组成.换向极绕组须与电枢绕组串联。在1KW以下的容量直流电机中,有时换向极的数目只有主铁极的一半,或不装换向极。

(3) 机座 直流电机的机座既是磁的通路又起固定的作用,因此要求机座既要导磁

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面积,又要有足够的机械强度和刚度.对于换向要求很高的电机,机座可以用薄钢板冲片叠压而成。

(4) 电刷装置 电刷与换向器相配合,起到整流或逆变器。

1.1.2 转子部分

(1) 电枢铁芯 电枢铁芯是电机主磁路的一部分,而且用来嵌置电枢绕组.为了减少电枢旋转时电枢铁芯中损耗,电枢铁芯通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘的硅钢片叠加而成。

(2) 电枢绕组 电枢绕组是用来产生感应电动势和电磁转矩,实现机电能量转换的关键部件.现代直流电机的电枢,在其圆周上均匀地分布有许多个线圈,每个线圈可以单匝也可以多匝,称为元件.每个元件的两个有效边分别嵌放在相隔一定槽数的电枢铁芯的两个槽中.每个元件的首端与尾端,按一定的规律分别与换向器上的两个换向片相连。

(3) 换向器 换向器的作用是在电刷见得到直流电动势,并保证每个磁极下电枢导体电流方向不变,以产生恒定方向的电磁转矩.电枢绕组有许多元件而组成而每个元件的两个引出端分别连结两片换向片,换向器有许多彼此互相绝缘的铜片组成。 1.1.3 气隙

气隙是定子磁极和电枢之间自然形成的间隙,它是主磁路的一部分,气隙中的磁场的电机进行电能转换的媒介,气隙的大小对电机的运行有很大的影响.小容量直流电机的气隙约1~3mm,大容量电机的气隙可达几毫米。

1.2 直流电机的特性

直流电机的基本工作原理，如下所述：

图1.2 直流电机工作模型

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