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1、本科毕业论文基于单片机的直流电机PWM调速控制系统设计 所 在 学 院 机械与工程学院 专 业 名 称 机械设计制造与自动化 年 级 学生姓名、学号 指导教师姓名、职称 完 成 日 期 2013年5月 摘要摘 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。本文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。另外，本系统中使用了测速发电机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A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单
2、片机进行PI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PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。关键词：PWM信号，测速发电机，PI运算，直流电动机IIAbstractABSTRACTThis 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 PWM and th
3、e way to adjust the duty cycle of PWM signal. Whats more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and pa
4、rticipates in a PI calculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it.Key words: PWM signal 、tachogenerator、PI calculation、 DC Motor目录目录1 引言11.1 课题背景11.1.2 开发背景11.1.3 选题意义21.2 研究方法及调速原理21.2.1 直流调速系统实现方式41.2.2 控制程序的设计52 系统硬件电路的设计62.1 系统总
5、体设计框图及单片机系统的设计62.2 AT89S51单片机简介62.2.1 AT89S51单片机的组成62.2.2 CPU及部分部件的作用和功能72.2.3 AT89S51单片机引脚图82.3 单片机系统中所用其他芯片选型82.3.1 地址锁存器82.3.2 程序存储器92.3.3 数据存储器102.4 AT89S51单片机扩展电路及分析113 PWM信号发生电路设计133.1 PWM的基本原理133.2 系统的硬件电路设计与分析133.3 H桥的驱动电路设计方案144 功率放大驱动电路设计164.1 芯片IR2110性能及特点164.2 IR2110的引脚图以及功能164.3 IR2110的
6、极限参数和限制：175 主电路设计195.1 延时保护电路195.2 主电路195.3 输出电压波形225.4 测速发电机225.4.1 电机速度的测量并显示功能仿真225.5 滤波电路235.6 A/D转换235.6.1 芯片ADC0809介绍235.6.2 ADC0809的引脚及其功能246 系统功能调试257.系统软件部分的设计287.1 PI转速调节器原理图及参数计算287.2 系统中的部分程序设计297.2.1 单片机资源分配297.2.2 主程序297.2.3 程序流程图33总结35致谢36参考文献37IV沈阳航空工业学院毕业设计（论文）-35-本科毕业论文1 引言1.1 课题背景
7、1.1.2 开发背景在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。直流电机，大体上可分为四类：几相绕组的步进电机、永磁式换流器直流电机、伺服电机、 两相低电压交流电机直流电机的特点是启动转矩大，最大转矩大，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛
8、应用。适用范围：直流调速器可以应用在造纸印刷、纺织印染、光缆设备、电工技术设备、食品加工机械、橡胶加工机械、生物制药设备、电路板设备、实验器材 、特种加工、轻工业、 输送设备 车辆工程、医疗设备、通讯设备、雷达设备 等行业中。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名机电工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。1.1.3 选题意义直流电机拥有有良好的起制动性能，可应用于在大范围内的平滑调速，也可广泛的应用于许多需要调速或正反向的电力拖动领域中。在控制角
9、度来看，直流调速更是交流拖动系统的基础。早期的控制系统较大部分以模拟电路作为基础，有运算放大器、非线性集成电路和少量数字电路等，控制系统的硬件部分功能比较复杂，功能比较单一，而且软件系统不灵活、不好调试，不利于直流电动机调速技术发展和应用范围。伴随着单片机控制技术的快速发展，使得许多控制功能算法以及软件得以完成，为直流电动机调速控制提供了更大的发展空间，并使系统达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽然满足了生产要求，但由于元件易老化和使用时容易受到干扰影响，并且线路很复杂，控制效果受到器件性能、温度等因素的
10、影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。因此实现直流无级调速对我们社会生产和生活有着重大的意义。1.2 研究方法及调速原理直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的机械特性曲线有所不同。对于直流电动机的转速有以下公式： n=U/Cc-TR内/CrCc （公式 1-1）其中：U电压； 励磁绕组电阻；磁通(Wb)；Cc电势常数；Cr转矩常量。由上
11、式可知，直流电机的速度控制分两种方法，有电枢控制法和磁场控制法。比较两种方法优劣，对于磁场控制法，其控制功率较小，低速传动时易受到磁极饱和限制，而高速传动时又受到换向火花和换向器结构限制。所以磁场控制法并不合适，电枢控制法在电机调速中是比较常用的方法。直流电动机的基本结构直流电机的结构是多种多样的,但任何直流电机都包括定子部分和转子 部分,这两部分间存在着一定大小的气隙,使电机中电路和磁场发生相对运 动.直流电机定子部分主要由主磁极,电刷装置和换向极等组成,转子部分 主要由电枢绕组,换向器和转轴等构成，如图1-1所示：图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制即在励磁电压不变的情况下，把控制电压信
12、号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。在电机调速中广泛使用，其中脉宽调制应用广泛。脉宽调速的概念是利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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。 根据上图，当电动机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比D，就可以得到不同的电机速度，从而实现调速。1.2.1 直流调速系统实现方式PWM为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比是一个重要参数，电源电压不变时，电枢端电压的平均值取决于占空
13、比的大小，改变的值可以改变电枢端电压的平均值：1、定宽调频法：保持不变，只改变t，使周期也随之改变。2、调宽调频法：保持t不变，只改变，使周期或频率也随之改变。3、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变和t。1，2方法在调速时改变了控制脉冲的周期或频率，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因而不合适，用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。1.2.2 控制程序的设计 控制程序设计有分软件延时法和计数法。用软件延时法的思路是：先计算占空比（t(1)/T），再由周期给电动机通电M个单位时间t(0)，所以M= t(0)/ t(1)。再断电S个单位时间，所以S
14、= t(2)/ t(0)。改变了M和S的值，也就改变了占空比的值。而计数法的原理是：先计算单位延时个数M，作为定值存放于任意一个存储单元中。等通电时，对通电单位的时间的次数进行计算，且与存储器内容相比较。若计数值和给定的值相等时，则使电动机断电，若不相等，则要输出控制脉冲。软件采用定时中断进行设计。当单片机上电后，系统进入准备状态。当按动按钮后执行相应的程序，根据P1.1的高低电平决定直流电机正反转。根据加、减速按钮，调整P1.1输出高低电平的占空比，从而可以控制高低电平的延时时间，进而控制电压的大小来决定直流电机的转速。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本系统采用AT89S51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路交数据重新送回单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。主控芯片PWM信号的产生与放大直流电机测速发电机滤波电路A/D转换图2-1系统总体设计图2.2 AT89S51单片机简介2.2.1 AT89S51单片机的组成AT89S51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过
