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1、1绪论1.1课题研究背景PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制 约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型 电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子 技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理 论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止， 已经出现了多种PWM控制技术。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
2、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。1.2直流电机调速发展现况现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次能源。而电机作为机电能量转 换和信号转换的电磁装置，经过了一个多世纪的发展，其应用范围已经遍及现代 社会和国民经济的各个领域及环节。例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流 电焊机和某些大型同步电机的励磁电源以及有些移动运输机械，在缺少交流电源 时其所需要的直流电源仍然使用直流发电机作为供电电源。同步电机具有转矩大、效率和精度高、机械特性硬等优点，但是调速困难、 容易“失步”等弱点大大限制了它的应用范围；而异步电机则结构简单、制造方 便、运行可靠、价格便宜，但其机械
3、特性软、启动困难、功率因数低、不能经济 地实现范围较广的平滑调速，且必须从电网吸取滞后的励磁电流，从而降低电网 功率因数；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于 对启动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、起重设备等。这也 是直流电机能够在工业领域占有一席之地的原因。而采用PWM调速系统控制电机，则具有很多的优越性，比如：开关频率高， 电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。低速性能很好，稳速精度高， 调速范围广，可达到1： 10000左右。如果可以与快速响应的电动机配合，则系统 频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。功率开关器件工作在开关状态，导通损 耗小，
4、当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。1.3本文主要研究内容深入研究直流电机的调速性能，通过对直流传动装置的分析与论证，结合生 产实际需求，设计一个带有直流传动装置的直流电机PWM调速系统。本设计将从电机的应用及调速技术的发展入手，在分析电机的基本特性及 PWM调速原理的基础上，采用单片机控制方式，控制电机的运行，结合传感器得 到反馈数据，重点是设计出一套直流电动机PWM调速系统并对直流调速系统的其 他调速方式进行分析和探讨。该系统将单片机和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势，能够最大程 度满足需要，具有运行稳定、操作简单和满足调速范围等特点。该系统对电机参 数进行预置，通过
5、传感器对负载转速的反馈构成闭环控制系统。1.4本章小结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。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度 不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对 各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。2系统硬件电路的设计2.1系统总体设计框图及单片机系统的设计2.1.1系统总体设计框图如图2-1所示:图2-1系统总体设计框图2.1.2 8051单片机简介(1 ) 8051单片机
6、的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基 本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了 特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本组成如图2-2所示：图2-2 8051单片机的基本组成(2) CPU及8个部件的作用功能介绍中央处理器CPU：它是单片机的核心，完成运算和控制功能。内部数据存储器：8051芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的 只是前128个单元，其地址为00H7FH。通常说的内部数据存储器就是指这前 128个单元，简称内部RAM。特殊功能寄存器：是用来对片内各部件进行管理、控制、监视的控制寄存器 和状态寄存器
7、，是一个特殊功能的RAM区，位于内部RAM的高128个单元，其地 址为 80HFFH。内部程序存储器：8051芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据 或表格，简称内部ROM。并行I/O 口： 8051芯片内部有4个8位的I/O 口(P0，P1，P2, P3)，以实 现数据的并行输入输出。串行口：它是用来实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。定时器：8051片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并 且以其定时或计数结果对计算机进行控制。中断控制系统：该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断 2个和串行中断1个。振荡电路：它外接石英晶体和微调电容即可构成8051
8、单片机产生时钟脉冲 序列的时钟电路。系统允许的最高晶振频率为12MHz。(3) 8051单片机引脚图如图2-3所示：F1.0 Pl. 1 VCCP0.012S0514039P1.2 338P0. 1P1.3 437F0.2F1.4 536F0.3F1.5 635F0.4F1.6 734F0.5P1.7 833F0.6RST/VPD 932P0.7EXD/F3. 0 1031一 EA/VFFTXD/P3. 1 1130一 ALE/PROGINT0/F3. 2 一1229一 FSENINT1/F3.3 1328F2.7T0/F3.4 一1427F2.6T1/F3.5 1526P2.5WF3. 6
9、一1625F2.4ED/F3.7 1724P2.3XTAL2 1823F2.2XTAL1 1922P2. 1vss 2021F2.02.1.3单片机系统中所用其他芯片简介(1)地址锁存器74LS37374LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。其结构如图2-4所示:如锁存器三态门图2-4 地址锁存器74LS373结构图当使能端G呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间 实现锁存。如果此时芯片的输出控制端亦一为低，也即是输出三态门打开，锁存 器中的地址信息便可以通过三态门输出。其引脚如图2-5所示：0E 120Vcc1Q 2198Q1D 3188D2D 41TTD2Q 574
10、LS37316TQ3Q 6156Q3D T146D411 8135D4Q 9125QGND 1011G图2-5 74LS373引脚图（2）程序存储器27128其芯片引脚如图2-6所示:Vpp 一128VccA12227FGMA7 326A13A6 425ASA5524A9A4 一623AllA3 72712822一 0EA2 821A10A1 920一 CEA0101907Oo 11180601 12170502 131604GNB141503图2-6程序存储器27128芯片引脚其功能表如表2-1所示：表2-1程序存储器27128功能表引脚功能CE （片选）OE（允许输出）V ppPGM（编程
11、控制）输出读LLVCCH数据输出维持H*VCC*高阻编程LHVPPL数据输入编程校验LLVPPH数据输出编程禁止H*VPP*高阻（3）数据存储器6264其芯片引脚如图2-7所示:NC 一128VccA1Z227无A7326CE2A6 425A8A5524A9A4 一623AllA37626422一 0EA2 821A10A1 920一CE?A01019一 107I0o 1118一 1061011217105102 1316104GHD1415一 103图2-7数据存储器6264芯片引脚其芯片功能表如表2-2所小：表2-2数据存储器6264芯片功能表引脚功能CE1CE 2OEWEI/O I/O
12、07未选中H*高阻未选中*L*高阻输出禁止LHHH高阻读LHLH数据输出写LHHL数据输入写LHLL数据输入2.1.4 8051单片机扩展电路及分析(1 ) 8051单片机拓展电路图如图2-8所小：+57-Lc 丁匚丁+5V_LVcc VeeXTAL1P2. 0P2 1XTAL2JP2. 3RESET/VPDpol+5V |_LVcc GHDinIQ2n2Q3n3Q4D 74LS373 4Q5n5Q6n6Qth7Q8n8QG 0EVPP vccATA6A5A4A3A2A1A0o 1 2 3 1X 11 1x 1X A A A A A AEA/VDDFD.0F0. 1 P0.2S051FD.3F0.4P3.6/mFD.5一F0.6P3. 7/EDpn 7ALE/FROG FSEN0001020304050607 一OELII+5&NilVccAbA9AIOAllAl2626400010203040506077而cFGiro CE图2-8 8051单片机拓展电路(2)接线分析P0.7-P0.0：这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情 况
