单片机89C52控制直流电机论文参考.doc

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理工学院毕业设计（论文）

基于单片机的直流电机控制系统设计

学 生：郭~~
学 号：
专 业：电气工程及其自动化
班 级：2010.6
指导教师：周爱华 徐金龙

理工学院自动化与电子信息学院
二O一四年六月

73 / 79
摘要
随着时代发展，以机械为主的工业化让社会生产力得到了很大的提高，如何更好的利用单片机控制电机的转动成了现在研究的热门方向。STC89C52 单片机应用非常广泛，它具有易于编程，造价低，反应灵敏等优点。本论文设计并制作了一个简单的智能小车来实现单片机控制电机转动。这个设计涉及到了控制系统的测试、改进和扩展的功能。测试是测试每个单元电路是否设计正确，改进是将实现同样功能的设计程序改动的更加的简洁易懂。扩展是指当小车需要在硬件上增加新的功能单元电路时候，小车的程序也可以很简洁的扩展那个功能模块的控制程序，并且为了提高开发效率和使程序便于移植，采用C语言进行开发。
关键词：电机；STC89C52单片机；单片机控制程序；智能小车

ABSTRACT
With the development of the times, in order to make social machinery mainly industrial productivity has been greatly improved, how to make better use of SCM control the rotation of the motor now become popular research directions. STC89C52 SCM is widely used, it has the ease of programming, low cost, responsive and so on. In this paper, the design and production of a simple smart car to achieve single-chip control motor rotation. This design involves the testing of the control system, improved and extended functionality. Each unit test is a test circuit is designed correctly, is to improve the design process to achieve the same functionality changes more concise and easy to understand. Expansion is when the car needs to add new functional unit circuit when the car program in hardware can also be very simple program that features extended control module, and in order to improve the efficiency and make the program easy to transplant, using C language development.

Key words: Motor ；STC89C52 microcontroller;MCU control procedures; Intelligent car
目录
摘要I
ABSTRACTII
第1章引言1
1.1直流电动机控制的发展历史1
1.2直流电机的研究现状3
1.3直流电机的研究的意义4
1.4单片机的概念及特点5
1.4.1单片机的基本概念5
1.4.2单片机的主要特点6
1.5 单片机发展及其主要品种7
1.5.1 4位单片机7
1.5.2 ８位单片机7
1.5.3 １６位单片机8
1.5.4 32位单片机8
1.5.5 单片机的应用8
1.6.1 单机应用8
1.6.2 多机运用9
1.7 直流电机的工作原理原理9
1.8直流电动机的电枢电动势和电磁转矩10
1.8.1直流电机的电磁功率12
1.8.2 直流电动机的基本方程式12
1.8.3 转矩平衡方程式13
第2章控制方案14
2.1 PID控制方案14
2.2直流电机的调速方案15
第3章元件介绍17
3.1单片机STC89C5217
3.2芯片MAX23219
3.3电机驱动芯片L298N23
3.4电机测速单元芯片LM393介绍25
3.5光电传感器ST18828
第4章硬件电路设计29
4.1单片机最小系统的设计29
4.1.1单片机串口系统29
4.1.2单片机最小系统31
4.2电机驱动硬件原理图33
4.3 电机测速模块电路36
4.4小车检测电路38
4.5智能小车总电路图原理图39
第5章系统软件设计40
5.1方向判别的方法设计40
5.2PWM脉冲宽度调制的实现40
5.3 小车控制的流程图41
第6章系统调试43
6.1直行模块的测试操作43
6.2直行模块调试总结44
6.3转向模块的操作45
6.4转向模块总结47
6.5电机控制模块测试48
6.6整个程序测试总结50
第7章展望和总结51
7.1小车的电源系统的改进51
7.2小车的无线遥控系统的改进51
第8章结束语52
致53
参考文献54

第1章 引言
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、不能在较宽围平滑调速，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。
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，控制电路也实现了高度集成化、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SIMOREG K 6RA24、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。
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[[]楼然苗 李光飞，单片机课程设计指导[M].北京航空航天大学出版社，2007.7
]。
1.2直流电机的研究现状
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。
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。
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（pulse width modulation,简称PWM）方向发展。
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。
1.3直流电机的研究的意义
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。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[[]周顺荣 电机学（普通高等教育十一五规划教材）[M]. 科学出版社 2012.7
]。让电机在各种复杂的环境中平稳的加速和减速也是十分困难的。电机可能会受到外界的干扰而抖动，高速运转的转子必须在自动控制的条件达到人为规定的速度。要让电机达到这样的条件也是需要研究人员做大量的科研实验才能办到的。
1.4单片机的概念及特点
单片机作为微型计算机的一个分支，产于20世纪70年代，经过二三十年的发展，在各行各业中已经广泛应用。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好。广泛应用与工业控制、智能仪表、机电一体化产品、家用电气等领域。
1.4.1单片机的基本概念
什么是单片机？单片机是微型计算机中的一种，是把微型计算机中的微处理器、储存器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成的微型计算机。因而被称为单片型计算机，简称单片机。
单片机属于微型计算机的一种，它集成了微型计算机中的大部分功能部件，工作的基本原理一样，但具体结构和处理方法不同。我们知道，微型计算机由微处理器CPU、存储器、I/O接口三大部分通过总线有机连接而成，各种外部设备通过I/O接口与微型计算机连接。各个功能部件分开，功能强大。
单片机是应测控领域需要而诞生的，用以实现各种测试和控制。它的组成结构既包括通用微型计算机中的基本组成部分，又增加了具有实时测控功能的一些部件。在主芯片上集成了大部分功能部件，另外，可在外部扩展A/D转换器、D/A转换器、脉冲调制器等用于测控的部件，现在一部分单片机已经把A/D、D/A转换器及HSO、HIS等外部设集成在单片机中以增强处理能力。
单片机按照用途可分为通用型和专业型两大类。
通用型单片机部资源丰富，性能全面，适应能力强。用户可以根据需要设计各种不同的应用系统。
专用型单片机是针对各种特殊场合专门设计的芯片。这种单片机针对性强，设计时根据需要设计部件。因此，它能实现系统的最简化和资源的最优化，可靠性高，成本低，在应用中有很明显的优势。
在单片机使用上注意以下几个既有相同点也有区别的概念。
单板机：将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口以及简单的输入输出设备组装在一块电路板上微型计算机，称为单片机。
单片机：将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口和相应的控制部件集成在一块芯片上形成微型计算机，称为单片机。
多板机：在计算机组成中，如果组成计算机的各个功能部件是由多块电路板连接而成，这样的计算机称为多板机[[]雷思孝 李伯成 雷向莉.单片机原理及实用技术西安[M]. 西安电子科技大学出版社2004.5
]。
1.4.2单片机的主要特点
单片机是把微处理器、储存器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成的微型计算机。它的基本组成和基本工作原理与一般的微型计算机相同，但在具体结构和处理过程上又有自己的特点。其主要的特点如下：
1.在存储器结构上，单片机的存储器采用哈佛结构。ROM和RAM是严格分开的。ROM称为程序存储器，只存放程序、固定常数和数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放数据。两者的访问方式也不同，使用不同的寻址方式，通过不同的地址指针访问。程序存储空间较大，数据存储空间小，这样主要是考虑单片机用于控制系统中的特点。程序存储器和数据存储器又有片和片外之分，而且访问方式也不相同。所以，单片机的存储器在操作时分为片程序存储器、片外程序存储器、片数据存储器和片外数据储存器。
2.在芯片引脚上，大部分采用分时复用技术。单片机芯片集成了较多的功能部件，需要引脚的信号较多。但由于工艺和应用场合的限制，芯片上的引脚数目又不能太多了。为解决实际的引脚数和需要的引脚数之间的矛盾，一根引脚往往设计了两个或多个功能。每条引脚在当前起什么作用，由指令和当前机器的状态来决定。
3.在部资源访问上，通过用特殊功能寄存器（SFR）的形式。单片机中集成了微型计算机的微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路。对于这些资源的访问是通过特殊功能寄存器（SFR）的形式，在单片机中，微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等资源是用特殊功能寄存器（SFR）进行访问来实现。
在指令系统上，采用面向控制的指令系统。为了满足控制系统的要求，单片机有很强的逻辑控制能力。在单片机部一般都设置有一个独立的位处理器，又称为布尔处理器，专门用于位运算。
4.部一般都集成一个全双工的串行接口。通过这个串行接口，可以很方便地和其他外设进行通信，也可以与另外的单片机或微型计算机通信，组成计算机分布控制系统。
5.单片机有很强的外部扩展能力。在部的各功能部件不能满足应用系统要求时，可以很方便地在外部扩展各种电路，它能与许多通用的微机接口芯片兼容[[]赵建领 弓雷 单片机开发宝典[M]. 电子工业出版社 2012.2
]。

1.5 单片机发展及其主要品种
自1971年Inter公司制造出世界上第一块微处理器芯片4004不久，就出现了单片微型计算机，经过之后的二三十年，单片机的到了飞速的发展，在发展过程中，单片机先后经过了4位机、8位机、16位机、32位机几个有代表性的发展阶段。
1.5.14位单片机
自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS—1000后，各个计算机生产公司相继推出4位单片机，4位单片机主要产国是日本。如SHARP公司的SM系列、东芝公司的TLCS系列、NEC公司的Ucom75XX系列等。国已生产COP400系列单片机。
4位单片机的特点是价格便宜，主要用于控制洗衣机，微波炉等家用电气及高档电子玩具。
1.5.2 8位单片机
1976年9月，美国Intel公司首先推出MCS-48系列8位单片机，单片机发展进入了一个新的阶段。随后各个计算机公司先后推出了它们的8位单片机。
1978年以前各厂家生产的×位单片机，由于集成度的限制，一般都没有串行接口，只提供小围的寻址空间（小于8KB），性能相对较低，称为抵挡８位单片机。如Intel公司的MCS-48系列和仙童公司（Fairchi）的F8系列。
1.5.3 16位单片机
1983以后，集成电路的集成度可达到十几万只管／片，出现了16位单片机。16位单片机把单片机性能又推向一个新的阶段。它部集成多个CPU，8KB以上的存储器，多个并行接口，多个串行接口等，有的还集成高速输入/输出接口、脉冲宽度调制输出、特殊用途的监视定时器等电路。如Inter公司的MCS-96系列，美国国家半导体公司的HPC16040系列和NEC公司的783XX系列。16位单片机往往用于高速复杂的控制系统。
1.5.432位单片机
近年来，各个计算机厂家已经推出更加高性能的32位单片机，但在测控领域对32位的单片机应用很少，因而，32位单片机使用不多。
1.5.5 单片机的应用
单片机具体体积小，功率低，易于产品化，面向控制，抗干扰能力强，适用温度围宽，可以方便地实现多机和分布式控制等优点，它广泛的应用于各种控制系统和分布式系统中。
1.6.1 单机应用
单机应用指在一个系统中只用到一块单片机，这是目前单片机应用最多的方式。单机应用的主要领域如下：
（1）工业自动化控制。在自动化技术中，单片机广泛用在各种过程控制、数据采集系统、测控技术等、如数控机床、自动生产线控制、电机控制和温度控制。新一代机电一体化处都离不开单片机。
（2）智能仪器仪表。单片机技术运用到仪器仪表中，使得原有的测量仪器向数字化、智能化、多功能化和综合化的方向发展，大提高了仪器仪表的精度和准确度，减小了体积，使其易于携带，并且能够集成测量、处理。控制功能与一体，从而使测量技术发生根本的变化。
（3）计算机外部设备和智能接口。在计算机系统中，很多外部设备都用到单片机，如打印机、键盘、磁盘、绘图仪等。通过单片机来对这些外部设备进行管理，既减小了主机的负担，也提高了计算机整体的工作效率。
（4）家用电器。目前家用电器的一个重要的发展趋势是不断提高其智能化程度，如电视机、录像机、电冰箱、洗衣机、电风扇、和空调机等家用电器中都用到单片机或专用单片机集成电路控制器。单片机的使用，提高了家用电器的功能，操作起来方便，故障率更低，而且成本更低廉。
1.6.2 多机运用
多机运用指在一个系统中用到多块单片机。它是单片机在高科技领域的主要应用，主要用于一些大型的自动化控制系统。这时整个系统分成多个子系统，每个子系统是一个单片机系统，它完成本子系统的工作，从上级主机接收信息，发送信息给上级主机。上级主机则根据接收的下级子系统的信息，进行判断，产生相应的处理命令传送给下级子系统。多机应用可分为功能弥散系统、并行多机处理系统和局域网络系统[[]胡进德 51单片机应用基础[M]. 湖北科学技术出版社 2011.1
]。
1.7直流电机的工作原理原理

图1-1 直流电机部分析图
上图所示的直流电机，如果去掉原动机，并给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
1.8直流电动机的电枢电动势和电磁转矩
电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。电枢旋转时，就是某个元件来说，一会儿在N极下，一会儿又进入S极下，即从一条支路进入另一条支路，元件本身的感应电动势的大小和方向都在变化着。但从绕组 电路可知，各个支路所含元件数量相等，各支路的电动势相等，且方向不变。于是可以先求出一根导体在一个极距离围切割气隙磁密的平均电动势，再乘上一条支路里的串联总导体数（N为电枢总导体数，N=2SN，）便是 电枢电动势了。
一个磁体的极距离围，平均磁密用表示，极距为，电枢的轴向有效长度为，每极磁通为则
B=(1-1)
一根导体的平均电动势为
e=B(1-2)
式中 ——导体切割磁场的线速度。
=(1-3)
式中 p——电机极对数；n——电机转速。
所以，
=(1-4)
导体平均感应电动势的大小只与导体每秒所切割的总磁通量有关，与气隙磁密的分布无关。于是当电刷在几何中性线上时，电枢电动势为
(1-5)
式中 ——电动势常数，，为常数。
电磁转矩
先求一根导体的平均电磁力。根据载流导体在磁场中受力的原理，一根导体所受的平均电磁力为
（1-6）
式中 ——导体中的电流，即支路电流；
——导体的有效长度。
一根导体所受的平均电磁力乘以电枢的半径，即一根导体所受的平均转矩。
（1-7）
式中 D——电枢的直径，。
电机总电磁转矩用T表示，为
（1-8）
式中 ——转矩常数，，为常数；
——电枢总电流。
如果每极磁通的单位为Wb，电枢电流的单位为A，则电磁转矩T的单位为。
从电磁转矩的表达式可以看出，对于一台具体的直流电机，电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流。
电动势常数和转矩常数都取决于电机结构数据，对一台已制成的电机，和都是恒定不变的常数，并且两者之间有一固定的关系，即
或 （1-9）
1.8.1直流电机的电磁功率
电枢电动势与电磁转矩T这个物理量有什么关系呢？现以电动机为例加以说明。电枢从直流电源吸收的电功率，扣除电枢绕组本身的铜耗后为，而电枢在电磁转矩T的作用下，以机械角速度（单位为rad/s）恒速旋转的机械功率为。及公式为：（1-10）
由上式可知，直流电动机电枢从电源吸收的绝大部分电功率，通过电磁感应作用转换成轴上的机械功率。同时可以证明，在直流发电机中，原动机克服电磁转矩T的制动作用产生的机械功率也正好等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率，所以称这部分在电磁感应的作用下，机械能与电能相互转换的功率称为电磁功率。
1.8.2 直流电动机的基本方程式
电动势平衡方程式
根据基尔霍夫第二定律，电枢回路电压方程即得直流电动机的电动势平衡方程式为
（1-11）
式子中 ——电枢回路电阻，包括电枢回路串联各个绕组电阻与电刷接触电阻的总和；
——外接在电枢回路中的调节电阻。
在电机中，端电压U必大于反电动势。
由此，可得直流电动机的转速公式为
（1-12）
励磁回路的电动势方程为
（1-13）
1.8.3 转矩平衡方程式
根据力学中的牛顿定律，在直流电机的机械系统中，任何瞬间都必须保持转矩平衡，即当电枢恒速旋转时，驱动转矩T必须与制动转矩相平衡，因此，可以列出直流电动机隐态时的转矩平衡方程为
（1-14）
式子中 ——总负载转矩，。
在电机稳态运行时，电磁转矩一定与负载转矩大小相等，方向相反，即
。当为已知，也为定值，在每极磁通为常数的前提下，，
电枢电流仅取决于负载转矩，即故稳态运行时也称为负载电流。由电源供给，电压U、电枢回路电阻是确定的，电枢电动势也就确定了。而，电机的转速也就确定了。因此，当电机的负载确定后，其电枢电流及转速等也就相应地确定了[[]张广溢 郭前岗 电机学[M]. 重庆大学出版社 2012.7
]。
第2章控制方案
2.1 PID控制方案
首先单片机有T1和T2端定时器。首先设定时间为10毫秒，速度反馈器分别向T1和T2端发射N1和N2两个方波。当小车速度为0时候，方波一直是低电平，当小车开始运动时候小车开始有高电平方波，速度越快，单位时间出现的方波越多。然后方波的个数为N 时间是T，所以速度就是 。
T1
T2

将和进行比较，然后将比较信号反馈给单片机，它将控制小车转弯和速度。

图2-1 小车两轮速度控制方案图
此时得到的每个轮的速度就是和。这时候用简单的比循环反馈来控制速度。首先预设一个速度假设为80，因为此时小车没有速度，所以小车的反馈为0。这样一来输入到PWM（脉冲宽度调制）。然后将80的速度信号直接输出给电机。当设定的单位时间到了的时候，电机的速度会被速度检测器检测出来。按照常理的话电机是不会在短时间达到预设速度的。假设此时的检测速度为-30，此时速度和初始速度进行求和运算。及处理后的速度信号就是50（就是速度还差50）。然后PWM给电机的输出信号就由开始的80改变成了50。这个过程一直重复，可能当遇到下坡的时候，电机的速度可能大于了预设速度，可能成为100的时候，此时的反馈速度就是-100。然后求和运算时候为-20（就是超过速度20）。此时PWM会给电机输出20的减速信号。然后电机减速。这样的过程会重复一段时间后达到一个动态平衡[[]霍罡 曹辉 可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例[M]. 高等教育出版社 2008.1
]。
预设速度V

PWM
M
单位时间内检测到的反馈速度信号（—）
PID
V

图2-2 PID算法闭环反馈图
2.2直流电机的调速方案
众所周知，直流电机转速n的表达式为:
(2-1)
式中:U-电枢端电压
I-电枢电流
R-电枢电路总电阻
Φ-每极磁通量
K-与电机结构有关的常数
由上式可知，直流电机转速n的控制方法有三种:
(1)调节电枢电压U。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大围无级平滑调速的系统;
(2)改变电机主磁通中只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速围小;
(3)改变电枢电路电阻R在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。
改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速围不大，往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是论文中设计系统所采用的方法。
改变电枢电压主要有三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。
(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。
(2)20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角α。进而改变整流电压Ud的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。
(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压，亦称DC-DC变换器。
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速[[]基于单片机的直流电机PWM调速系统设计与开发_庹朝永[J] 煤炭技术 2011.6:22~34
]。
第3章元件介绍
3.1单片机STC89C52

图3-1 STC89C52实物图
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。· 工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）
工作频率围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
用户应用程序空间为8K字节
片上集成512字节RAM
· 通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序。
共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。 
· 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 ，通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。工作温度围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。PDIP封装。
STC89C52RC单片机的工作模式 · 
掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
空闲模式：典型功耗2mA。
正常工作模式：典型功耗。
4Ma～7mA 掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

图3-2STC89C52引脚图
STC89C52RC引脚功能说明： 
VCC（40引脚）电源电压。VSS（20引脚）接地。
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。 
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）
P1口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。 
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）
P2口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8