直流电机闭环调速

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1、第 1 章 前言1.1 课题的研究意义现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、 化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重 的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。 随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械 要求能实现自动调速，而且，当今控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已 实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成 工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提 高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同

2、时，也大大 促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力 大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自 动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了 提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和 多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高 的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈 等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。本次设计是基于 51 系列单片机对直流电动机单闭

3、环调速系统进行设计，能实 现对直流电动机转速控制的功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反 映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。通过这次设计，可以使我对 51 系列单片机的应用和直流电机闭环调节系统进 行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一 定的知识基础。1.2 直流电机调速的发展由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那 样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一 直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的 发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系

4、统。但是就目前 来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如 轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能 可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论和 实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此加 强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进 _J匕宀亲一步完善。首先直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环 到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。不仅存在从单一调速方 式向多种调速方式的纵向发展过程，而且每一种调速系统本身也都在发展

5、完善之 中。如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调 速系统都在不断的完善和发展之中。单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求 不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统目前有两 种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。其次，直流调速系统的产生与发展都与其他学科存在紧密联系。第一它与电 机学有紧密地联系，因为对于调速来说，电机是控制对象，对控制对象的研究越 深入控制效果才会越好。第二与半导体变流技术的发展密不可分，电力电子技术 元器件的性能越好可供选择的种类越多，调速系统的性能才会越好。微型计算机 的发展，尤其是微控制器的发展为

6、直流调速系统的进一步发展插上了翅膀。微控 制器在这里的应用，改变了控制系统的结构，改变了传感元件的检测技术，并且 使各种先进控制算法得以实现。任何设计都不是终极设计，都在随着其他科技的 发展而不断完善。1.3 设计任务内容根据课题要求研制以单片机为核心的直流电机测速控制系统。系统设计主要 包含以下任务：1、实现对直流电机转速的测量；2、通过按键调节电机转速值，在电机转速的可控范围内控制电机转速；3、实时显示直流电机转速实际测量值；4、利用控制电机定子电压接通和断开的占空比（PWM）,即脉宽调速；本设计采用红外对射传感器将转速转换成频率与速度一一对应的脉冲信号， 将脉冲信号送给单片机进行检测，最

7、终计算出电机的转速。采用四位一体八段数 码管显示器，显示测量值。对于直流电机的转速控制，选择合适的 PWM 方式驱动 实现。设计的总体模块化方案如图 1-1所示，整个设计采用模块化设计、分布调 试、整体组合的方法。图 1-1 系统设计总体模块化方案第 2 章 系统组成模块原理概述2.1 直流电机概述2.1.1 直流电机结构直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、 轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转 矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，

8、由转 轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电机的结构如图2-1 所示。主晞根电刷图 2-1 直流电机结构图2.1.2 直流电机工作原理直流电机模型如图 2-2 所示，磁极 N,S 间装着一个可以转动的铁磁圆柱体， 圆柱体的表面固定着线圈abed。当线圈流过电流的时候，线圈受到电磁力的作用, 产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受力方向也 将改变，因此通过改变线圈电流的方向实现改变电机的方向。图2-2直流电机工作原理模型2.1.3直流电机主要技术参数额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。额定电流Ie：长期运行的最

9、大电流。额定转速n：单位时间里面电机转速的快慢。励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。2.1.4 直流电机的调速的技术指标1. 调速范围调速范围是指最低可控转速到最高可控转速的范围，最低可控转速对最高可 控转速的比值，叫电机的调速比。2. 调速的相对稳定性和静差度 所谓相对稳定性，是指负载转矩在给定的范围里面变化所引起的速度的变化它决定于机械特性的斜率。静差度（又称静差率）是指当电动机在一条机械特性上运行时，由理想空载 到满载时的转速降落与理想空载转速n0的比值。用百分数表示，即An5 = xlOO%（2-1）n0在一般的情况下，取额定转矩下的速度落差An，有NAn5 = N X100%（2-

10、2）n03. 调速的平滑性 调速的平滑性是在一定的调速范围内，相邻两极速度变化的程度，用平滑系数0表示，即(2-3)nini-1式中n和n相邻两极，即i级与i-1级的速度ii -14. 调速时的容许输出 调速时的容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速的过程中轴 能够输出的功率和转矩。2.2 单片机概述2.2.1 单片机的简介单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处 理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系 统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路 转换器、 A/D 转换器等电路）集成到

11、一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系 统。2.2.2 单片机的发展史1. 四位单片机1975年，美国德克萨斯公司首次推出4位单片机TMS-1OOO,此后各个计算机 公司竞相推出 4 位单片机。日本松下公司的 MN1400 系列。美国洛克威尔公司的 PPS/1系列等。4位单片机的主要的应用的领域有：PC机的输入装置、电池的充 电器、运动器材、带液晶显示器的音/视频产品控制器、一般家用电器的控制及遥 控器、电子玩具、钟表、计算器、多功能电话等。2. 八位单片机1972年，美国Intel公司首先推出8位微处理器8008，并与1976年9月率 先推出 MCS-48 系列单片机。在这以后， 8 位单片

12、机纷纷面世。例如莫斯特克和仙 童公司合作生产的3870系列，摩托罗拉公司生产的6801系列等。随着集成电路 工艺水平的提高，一些高性能的8位单片机相继问世，例如1978年摩托罗拉公司 的MC6801。这类单片机的寻址能力达到64KB，片内ROM的容量达4-8KB，片内除 带有并行I/O 口，甚至还有A/D转换器的功能。8位单片机由于性能强大，被广 泛用于自动化装置，智能接口，过程控制等各领域。3. 十六位单片机1983 年以后，集成电路的集成度可达几十万只管/片，各系列 16 位单片机纷 纷面世，这一阶段的代表产品有1983年Intel公司推出的MCS-96系列，1987年 Intel公司推出

13、了 80C96，美国半导体公司推出了 HPC16040。16位单片机主要用 于工业控制，智能仪器仪表等场合。4. 三十二位单片机 随着高新技术智能机器人，激光打印机，图像与数据实时处理，复杂实时控制，网络服务器等领域的应用和发展， 20世纪80年代末，推出了32位单片机， 如摩托罗拉公司的 MC683XX 系列。 32 位单片机是单片机的发展趋势，随着技术的 发展和开发成本的降低，将会和8位单片机并驾齐驱。5. 六十四位单片机近年来， 64 位单片机在引擎控制，智能机器人，磁盘控制，算法密集的实时 控制场所已有应用。如英国的 Inmos 公司的 Transputer T800 是高性能的 64

14、 位 单片机。2.2.3 单片机的特点1. 高集成度，体积小，高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性 能优于一般通用的CPU。单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏， 许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。2. 控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件，即分支转移能力，I/O 口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。3. 低电压，低功耗，便于生产便携式产品为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V, 而

15、工作电流仅为数百微安。4. 易扩展 片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。5. 优异的性能价格比单片机的性能极高。为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和 DSP 等技术。单片机的寻址能力也已突破 64KB 的限制，有的已可达到 1MB 和 16MB ，片内的 ROM 容量可达 62MB ， RAM 容量则可达 2MB 。由于单片机的广泛使 用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极2.2.4 AT89S52 单片机介绍AT89S52单片机是一款低功耗、低电压、高性能CM0S8位单片机，片内含8KB （可经受 1000 次擦写周期）的 FLASH 可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）,器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度，非易失性存储器（NURAM） 技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在 系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。因此， AT89S52 是一 种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域。AT89S52 单片机引脚结构如图2-3所示。AT8