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1、直流电动机调速器硬件设计摘 要直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。该实验中搭建了基于 C8051F020 单片机的转速单闭环调速系统，利用 PWM 信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环 PI 控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对 PI 控制原理及其参数的确定进行更深的理解。实验结果显示，控制 8 位 PWM 信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。期望转速则可通过功能按键给定。当选择比例参数为 0.08、积分参数为 0.01 时，电机转速可以在 3 秒左右达
2、到稳定。由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。关键字：直流电机， C8051F020，PWM，调速，数字式Subject: Hardware Design of Speed Regulator for DC motorMajor: AutomationName: Xiao yu Liu (Signature)Instructor:Xiao dong Hu (Signature) Hardware Design of Speed Regulator for DC motorAbstractThe dc motor is a widely used machine in
3、 various occasions.The speed regulaiting systerm is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment,the digital Close-loop control systerm is based on C8051F020 SCM.It used PI regulator and PWM to regulate the speed of dc
4、 motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator.According to experiment ,the armature voltage can be controlled linearnized with regulating the 8 bit PWM.So the dc motor can accelerate or decelerate or reverse.In experim
5、ent, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press.With using the PI regulator,the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last,the experiment shows that the speed regulating sys
6、term can work as expected.Key words: dc motor,C8051F020,PWM,speed regulating,digital目录第一章 绪论 11.1 直流调速系统发展概况 11.2 国内外发展概况 21.2.1 国内发展概况 21.2.2 国外发展概况 31.2.3 总结 41.3 本课题研究目的及意义 41.4 论文主要研究内容 4第二章 直流电动机调速器工作原理 62.1 直流电机调速方法及原理 62.2 直流电机 PWM(脉宽调制)调速工作原理 72.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理 112.3.1 单闭环直流调速系统的组成 112.3.
7、2 速度负反馈单闭环系统的静特性 122.3.3 转速负反馈单闭环系统的基本特征 132.3.4 转速负反馈单闭环系统的局限性 142.4 采用 PI 调节器的单闭环无静差调速系统 152.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理 172.5.1 原理框图 172.5.2 数字式 PI 调节器设计原理 18第三章 直流电动机调速器硬件设计 203.1 系统硬件设计总体方案及框图 203.1.1 系统硬件设计总体方案 203.1.2 总体框图 203.2 系统硬件设计 203.2.1 C8051F020 单片机 203.2.1.1 单片机简介 203.2.1.2 使用可编程定时器 /计数器阵列获得 8
8、 位 PWM 信号 233.2.1.3 单片机端口配置 233.2.2 主电路 253.2.3 LED 显示电路 263.2.4 按键控制电路 273.2.5 转速检测、反馈电路 283.2.6 12V 电源电路 303.3 硬件设计总结 31第四章 实验运行结果及讨论 324.1 实验条件及运行结果 324.1.1 开环系统运行结果 324.1.2 单闭环系统运行结果 324.2 结果分析及讨论 324.3 实验中遇到的问题及讨论 33结论 34致谢 35参考文献 36论文小结 38附录 1 直流电动机调速器硬件设计电路图 39附录 2 直流电动机控制系统程序清单 42附录 3 硬件实物图
9、57第一章 绪论1.1 直流调速系统发展概况在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：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。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。直流
10、调速系统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、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件 MOSFET 和 IGBT 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。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。1964 年 A.Schon
11、ung 和 H.stemmler 首先提出把 PWM 技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入 70 年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM 常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常 PWM 配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 目前，电机调速控制模块主要有以下三种：（1）、采用电阻网
12、络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；（3）、采用由 IGBT 管组成的 H 型 PWM 电路。用单片机控制 IGBT 管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。1.2 国内外发展概况1.2.1 国内发展概况我国从六十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开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW 晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统
13、的控制算法：（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的 PI 调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。（3）、单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒
14、性与自适应性。（4）、模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经 1.5kw 电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.2.2 国外发展概况 随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制
15、算法、I-P 控制器取代 PI 调节器的方法、自适应和模糊 PID 算法等等。目前，国外主要的电气公司，如瑞典 ABB 公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国 GE 公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的 SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为 15A 至 1200A，并可通过并联 SITOR 可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需
16、要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。 1.2.3 总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.3 本课题研究目的及意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。随着单片机的发展，数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，用于
