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1、 . . . 课题 单片机控制的单闭环直流调速系统性能指标：S=0,D=10。功 能：对直流电机调速；单片机控制，小键盘输入转速，实时LED显示转速。要 求： 直流电机：Z2-93型，60KW/220V/305A/1000rpm，V-M，R=0.18，CE=0.2Vmp,单闭环控制； 硬件设计（主电路，控制电路）、软件设计； 仿真。 目 录摘要3关键词3第一部分 直流单闭环直流调速系统方案分析31.1 VM调速系统方案分析31.2 PWM调速系统方案分析41.3 两种方案的比较4第二部分PWM直流电机调速系统系统设计52.1 系统组成52.1.1 系统结构框图52.1.2 系统功能说明（描述）
2、52.2 PID参数的确定52.3 单元电路设计62.3.1 键盘输入单元72.3.2 显示单元72.3.3 串行接口单元92.2.4 测速单元10 2.3 PWM直流调速系统硬件电路与工作过程说明112.4 PWM直流调速系统软件设计112.4.1 接口定义112.4.2 RAM/ROM配置说明122.4.3 系统工作过程流程图132.4.4 程序流程图14第三部分 PWM直流调速系统测试报告14 3.1 测试仪器14 3.2 测试容14 3.3 测试步骤14 3.4 测试分析15第四部分 设计总结15参考文献附录1 PWM直流调速系统硬件电路图16附录2 PWM直流调速系统元器件明细表17
3、附录3 PWM直流调速系统程序清单18摘 要 本系统由微处理器模块、键盘模块、LED显示模块、测数模块、PWM波形生成模块、驱动缓冲模块以与主电路模块组成。微处理器模块以两片AT89C51为核心，外扩I/O接口所构造，其中第一片AT89C51实现着PID运算和转速的测量，同时完成键盘的中断处理以与LED模块的显示。第二片AT89C51专用产生PWM波形。测速单元采用光电传感器的非接触式转速计，利用单片机的门空信号求出脉冲的周期，在求其倒数，其测量围从109999转分钟。驱动电路是电力电子技术研究所研制的GTR(大功率三极管)专用厚膜驱动电路HL201A，相比于UAA4002、M57125等驱动
4、器，具有性能优良与价格便宜等优点。整个系统形成一个单闭环系统，能够对电动机的转速达到无静差控制。关键词 微处理器；ADC；DAC；LED；传感器 第一部分 单闭环直流调速系统方案分析与比较直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜于在广泛围平滑调速。它的转速和其它参量的关系可用式表示：n=U-IR/KE。由该式可以看出，有三种方法调节电机的转速。（1） 调节电枢供电电压U。（2） 减弱励磁磁通。（3） 改变电枢回路电阻R对于要求在一定反无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有极调速，减弱磁通虽然能平滑调速，但调速围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上做小围的升速。因
5、此，自动控制的直流调素系统往往以变压调速为主。变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控支流电源有三种：（1） 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2） 静止可控整流器用静止的可控整流器，例如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。（3） 直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定支流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制器产生可变的平均电压。 旋转变流机组我们此次设计显然不能采用，因为它的调速性能不高，设备多，体积大，费用高，效率低，维护不方便。我们只要考虑静止可控整流器和脉宽调制变换器。1.1 VM调速系统方案分
6、析该方案，以单片机为控制核心，实现数字PID控制。目标转速从键盘输入，电动机的实际转速通过单片机测得，并由单片机进行实时显示，同时，由输入的转速与测得的实际转速得到转速差，由单片机进行PID运算，得到的结果进行D/A转换，于是将数字信号变成模拟信号，并用此模拟信号去控制可移触发装置，进而控制晶闸管的导通角，最终控制电动机的电枢电压，达到对电动的调速和稳速。整个系统形成一个单闭环系统，能够对电动机的转速达到比较精确的控制，是现在比较流行的一种调速系统。1.2 PWM调速系统方案分析系统结构框图如图1.2所示。单片机单片机键 盘输 入脉冲输入显示驱动缓冲电路电力晶体 管电源电路图1.1 PWM调速
7、系统结构框图该方案，同上一方案一样，也是一个单闭环系统，但该系统不是通过控制晶闸管的触发脉冲来控制电压，而是通过控制大功率晶体管的导通和关断时间比来控制电动机电枢电压。该系统中运用了两片单片机。其中一片单片机用来控制键盘输入，转速测量，转速显示，以与数字PID的运算。另一片单片机用来控制输出占空比可调可脉冲，从而控制晶体管的导通时间，达到调速和稳速要求。1.3 两种方案的比较第一种方案采用了晶闸管进行调速，但晶闸管也有它的缺点，首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是，元件对过电压、过电流以与过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标
8、超过允许值都可能在很短的时间损坏元件，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件的时候还应留有足够的余量。最后，但系统处于深调速的状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，似的系统的功率因数很低，产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变。会造成所谓的“电力公害”。在这种情况下，必须增设无功率补偿和谐波滤波装置。第二种方案采用的是大功率晶体管，属于PWM调速，它与VM系统相比，有下列优点： （1） 由于PWM的开关频率教高，仅靠电枢电感的滤波作用就足以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速围较宽。又由于电流波形比VM系统好，在一样的平均电流即一样的
9、输出转矩下，电动机的损耗和发热都小。（2） 同样由于开关频率高，若与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3） 由于电力电子期间只工作在开关状态，住电路损耗较小，系统装置可以获得更高的效率。综上所述，第二种方案比第一种方案有着明显的优点，是直流调速的趋势，因此，我们采用了方案二。第二部分 PWM直流电机调速系统系统设计2.1 系统组成本系统由显示模块，键盘输入模块，测速模块，晶体管驱动缓冲模块，电源模块以与单片机的通讯模块组成。 2.1.1 系统结构框图单片机单片机键 盘输 入脉冲输入显示驱动缓冲电路电力晶体 管电源电路图2.1 PWM调速系统结构框
10、图2.1.2系统功能说明（描述） 系统的功能主要有：（1） 电动机的无静差调速转速，调速围100rpm1000rpm（2） 实时显示转速2.2 PID参数的确定PID 控制是工业过程控制中应用最早、最广泛、技术最成熟的一种控制规律，对于大多数工业对象都能够得到比较满意的控制效果。模拟PID控制器采用硬件来实现PID的控制规律。用软件来实现PID的控制算法比模拟PID控制器有更大的灵活性和可靠性。本设计再用了PID控制算法中的位置式PID控制算法。1.1图是典型的PID控制的系统结构图。在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分控制。调节器的输出作为被控对象的输入控制量。图2.2
11、典型PID控制的系统结构图PID控制器的传递函数为: G(S)=0.945/0.0042S2+0.038S+1利用MATLAB进行仿真实验最终得到的PID参数为：Kp=0.01、Ki =0.01、Kd=0.1、T=0.01S。但为了计算的方便，在编写程序时，先将各参数扩大128倍 ，最后将得到的结果右移7位，将结果还原，这样可以避免复杂的浮点运算。2.2 单元电路设计2.2.1 键盘输入单元1. 矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样
12、，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别与编程方法如下所述。2. 矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。1. 判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测
