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1、毕业设计题 目 直流电机 PID 调速系统 II 学生姓名 学号 所在院 (系) 专业班级 指导教师 2012 年 5 月 日直流电机 PID 调速系统陕西理工学院毕业论文第 1 页 共 42 页 摘摘 要要 本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机控制 PWM 信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了 PWM 信号的发生系统，并且对 PWM 信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对 PWM 信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。此外，本文中还采用了芯片 IR2110 作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结
2、合完成了在主电路中对直流电机的控制。另外，本系统中使用了霍尔元件对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到单片机，并且最终作为反馈值输入到单片机进行 PID 运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了 PID 运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键字： PWM 信号；霍尔元件；PID 运算The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based On SCM陕西理工学院毕业论文第 2 页 共 42 页XuHuanhuan(Grade09,Class02, Major Au
3、tomation , Electrical Engineering Dept,Shaanxi University of Technology,Hanzhong723003,Shaanxi)Tutor:WangChunxiaAbstract:This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of
4、 PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation of D.C. motor. Whats more, hall element is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the m
5、easurement is sent to MCS-51 single-chip computer after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PIDcalculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it.Key
6、 words: PWM signal，hall element，PID calculation目录1. 引言6陕西理工学院毕业论文第 3 页 共 42 页1.1 开发背景61.2 选题的目的和意义61.3 研究方法62. 硬件电路设计72.1 整体电路设计72.1.1 整体理论72.1.2 整体简单结构图72.2 系统电源82.3 直流电机的调速原理82.4 单片机9 2.4.1 8052 单片机的基本组成92.4.2 本次设计各端口利用情况92.4.3 单片机的扩充需要102.4.3.1 地址锁存器102.4.3.2 程序存储器112.4.3.3 数据存储器112.4.3.4 单片机扩展电路
7、及分析122.5 霍尔元件测速电路132.5.1 霍尔原理132.5.2 霍尔元件测速图142.5.3 霍尔矩形波滤波电路152.6 直流电机驱动电路15陕西理工学院毕业论文第 4 页 共 42 页2.6.1 功率放大芯片的要求及选取162.6.1.1 设计要求162.6.1.2 芯片选取172.6.2 驱动电路设计图192.6.3 驱动过程分析192.7 键盘电路222.7.1 独立式键盘连接原理222.7.2 连接图222.8 计数器电路232.8.1 测量频率法232.8.2 带同步控制的频率测量243. 软件设计243.1 软件设计整体理论243.1.1 控制器公式分类243.1.2
8、控制系统中的应用与图形解释253.1.3 参数的调整293.1.4 PID 的增量算法303.2 软件设计流程图313.3 软件具体程序设计324. 系统调试354.1 软件调试354.2 系统仿真36陕西理工学院毕业论文第 5 页 共 42 页5. 结束语38致谢39参考文献401.引言陕西理工学院毕业论文第 6 页 共 42 页1.1 开发背景电动机在现代的工业中，是主要的驱动设备，尤其是直流电动机，由于它的平滑调速性和结构上的简单，使其成为许多电器，如洗衣机，电梯等的驱动 。而对于直流电机的控制，最流行的莫过于采用可控硅装置向电动机供电，即 KZD 拖动系统。起初的控制系统是发电机电动机
9、系统，相当的笨重。随着电力电子技术和单片机的成熟应用，使得直流电机调速系统从模拟化向数字化转变。而 PWM 脉宽调制，是现在应用最成熟的方法。它来源于电力电子的桥式电路，通过单片机可进行简单的模拟，而将它们结合起来，由电力电子元件组桥进行方向控制，而由单片机产生 PWM 波控制晶闸管的门极。调节占空比就能够控制电机的平均电压，从而控制电机的转速。1.2 选题的目的和意义直流电动机调速应用于实际中各个方面，工业，家电等，因为它能够在一个相当大的范围内进行平滑调速。但是早起以模拟元件为控制装置的系统，由于模拟元件本身的缺陷，导致硬件复杂，功能简单，不灵活，误差大，无法实行精确的调速。单片机的应用解
10、决了这个问题的一部分，误差可由许多完善的算法来解决，而且减小了硬件的复杂性。使得直流调速逐步由模拟化向数字化转变，使直流调速进入一个更加智能与可靠的新阶段。1.3 研究方法本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机，通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法。PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片组成
11、了 PWM 信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用霍尔元件测速电路测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号反馈给单片机，在内部进行 PID 运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。2.硬件电路设计陕西理工学院毕业论文第 7 页 共 42 页2.1 整体电路设计2.1.12.1.1 整体理论整体理论单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“
12、接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM 又被称为“开关驱动装置” 。本系统以 89C52 单片机为核心，通过单片机控制，C 语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据 PWM 调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件
13、部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。2.1.22.1.2 整体简单结构图整体简单结构图2.2 系统电源陕西理工学院毕业论文第 8 页 共 42 页2.3 直流电机的调速原理图 1 所示电枢电压为 Ua，电枢电流为 Ia，电枢回路总电阻为 Ra,电机常数 Ca，励磁磁通量是 。根据 KVL 方程：电机转速 n=(Ua-IaRa)/Ca,其中，对于极对数 p，匝数为 N，电枢支路数为 a 的电机来说：电机常数 Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。而在 Ua-IaRa 中，由于 Ra 仅为绕组电阻，导致 IaRa 非常小，所以 Ua-IaRa约等于 Ua。由此可见我们改变电枢电压时转速 n 即可随之改变。而电枢电压由单片机控制。本次选择的直流电机（所选电机的额定转速为 2000 转/分钟）为被控对象，以 MCU为控制器设计一个转速反馈单闭环 PID 控制系统，使系统稳态误差为零
