【正文】 寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。與上述兩種方法相比此方法有很多的優(yōu)越性。主電路簡(jiǎn)單，需要的功率器件較少；諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 通過(guò)對(duì)比以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)并且以及我們常用的經(jīng)驗(yàn)熟悉度，本次設(shè)計(jì)在根據(jù)脈寬調(diào)速要求，采用直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。（1）可以通過(guò)采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開和關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)不斷地切換開關(guān)來(lái)調(diào)整電機(jī)的速度。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間較慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易被損壞,且成本較高。（2）采用H橋組成的PWM電路。用單片機(jī)來(lái)控制H橋使電機(jī)工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，從而能夠精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，效率很高，可以保證電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。這個(gè)方案調(diào)速性優(yōu)良、調(diào)速范圍很廣并且可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 因此經(jīng)過(guò)對(duì)比，我們選用第二種方案來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生速度和方向的轉(zhuǎn)換。 PWM調(diào)寬方式PWM的調(diào)脈寬的方式有：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。在這里我們選用了定頻調(diào)寬的方式，這種方式使電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)比較穩(wěn)定；并且在用單片機(jī)產(chǎn)生PWM時(shí)用軟件方法產(chǎn)生相對(duì)比較簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)。PWM的軟件實(shí)現(xiàn)方式：（1）采用軟件延時(shí)，但這種方式下的精度不高，且占用處理器資源。（2）直接由軟件產(chǎn)生一組二進(jìn)制數(shù)控制PWM波形發(fā)生器產(chǎn)生PWM波，但這種方法還需要設(shè)計(jì)一個(gè)波形發(fā)生器，需要器件較多，成本較高，比較麻煩。（3）采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方法，且單片機(jī)內(nèi)部自帶定時(shí)器相對(duì)簡(jiǎn)單，并且產(chǎn)生的脈寬精度極其精確，所以我選用定時(shí)器產(chǎn)生PWM。因此，這種方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，且實(shí)用，軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中也易產(chǎn)生及控制PWM波。 PWM 調(diào)速工作方式（1）雙極性工作制。雙極性工作制是指在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單片機(jī)兩端控制兩個(gè)口輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，用兩信號(hào)的高低電平時(shí)差來(lái)決定PWM波從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的變化。（2）單極性工作制。單極性工作制是指單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩口輸出的切換和對(duì)PWM占空比調(diào)節(jié)，改變端口的高低電平來(lái)控制正反轉(zhuǎn)，PWM的占空比的調(diào)節(jié)來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 由于單極性工作制電壓中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我們選用了單極性工作制。 顯示模塊的選擇（1）采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描,LED 數(shù)碼管價(jià)格適中，亮度高，對(duì)于顯示數(shù)字合適，但是連接復(fù)雜，耗電流大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。 （2）采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示簡(jiǎn)單文字比較適合，如顯示數(shù)字則浪費(fèi)資源，且價(jià)格也相對(duì)較高。 （3）采用 LCD 液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，并且連接很方便 ，所以在此設(shè)計(jì)中采用了 LCD 液晶顯示屏。 鍵盤方案的選擇 （1）采用矩陣式鍵盤，這種方法可以由較少的I/O口實(shí)現(xiàn)數(shù)目較多的鍵盤。但是適合需要較多的鍵盤。但硬件比較復(fù)雜，且程序結(jié)構(gòu)比較繁瑣。 （2）使用獨(dú)立鍵盤，即每一位I/O口可對(duì)應(yīng)連接成一個(gè)鍵，這種方法比較簡(jiǎn)單，又因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)只需要五個(gè)按鍵，所以選擇這種不占用多余的I/O口。比較較簡(jiǎn)單，鑒于系統(tǒng)需要的鍵盤數(shù)不多，且有空余的 I/O 口，所以選用該種方案。 主要介紹系統(tǒng)整體，從選題的背景及直流電機(jī)的發(fā)展和意義到整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。展示整個(gè)設(shè)計(jì)的硬件的選材和軟件的思路，以及在做畢設(shè)過(guò)程中的總結(jié)與收獲。本課題研究的對(duì)象是直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。其基本思想是利用89C52單片，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)中斷來(lái)產(chǎn)生并且調(diào)正PWM的占空比，控制電機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為：以89C52為心，由轉(zhuǎn)速環(huán)、顯示、按鍵控制等電路組成。具體內(nèi)容如下： （1）介紹直流電動(dòng)機(jī)工作原理及PWM調(diào)速方法。 （2）完成以89C52的直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 （3）以該系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，使用PWM控制電機(jī)調(diào)速。 （4）對(duì)該數(shù)字式直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能做出總結(jié)。 第三章 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 89C52單片機(jī)的簡(jiǎn)介 89C52 單片機(jī)的基本組成 8052單片機(jī)由CPU和8個(gè)部件組成，它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接，其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：CPU特殊功能寄存器震蕩電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器中斷系統(tǒng)并行I/O口串行口定時(shí)器 圖31 89C52的基本組成圖中央處理器CPU：它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：芯片中共有256個(gè)RAM單元，能作為存儲(chǔ)器使用的只是前128個(gè)單元，其地址為00H—，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM。 特殊功能寄存器：是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各部分進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于內(nèi)部RAM的高128個(gè)單元，其地址為80H—FFH。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：此芯片內(nèi)部共有8K個(gè)單元，用于存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡(jiǎn)稱內(nèi)部ROM。 并行I/O口：芯片內(nèi)部有4個(gè)8位的I/O口（P0,P1,P2,P3),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。 串行口：它用來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。 定時(shí)器：芯片內(nèi)部有3個(gè)16位的定時(shí)器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能，并且以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個(gè)中斷源，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)、計(jì)數(shù)中斷3個(gè)和串行中斷1個(gè)。 震蕩電路：它外接石英晶體和微調(diào)電容即可構(gòu)成單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列的時(shí)鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz。 CPU及8個(gè)部件的作用功能介紹如下89C52單片機(jī)個(gè)引腳的原理與功能 ：VCC:供電電壓 ；GND：接地； P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開路雙向I/O口， 沒腳可吸收8個(gè)TTL門電路，當(dāng)做通用I/O口使用時(shí)，輸出級(jí)是漏極開路電阻，故需外接上拉電阻才能有高電平輸出，當(dāng)作地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，不需要外接上拉電阻，可是不能做通用的I/O口使用；由輸出變換成輸入端口作用時(shí)需先向端口寫入1（為了防止高電平因內(nèi)部結(jié)構(gòu)被拉成低電平造成誤讀）；在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O端口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向I/O口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展的I/O端口時(shí)，P0端口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 P1口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸 出4個(gè)TTL 門電流。P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故，在 flash 在編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。P1有兩個(gè)端口有第二功能，（定時(shí)/計(jì)數(shù)器2）。 P2 口：也是一個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口，P2口的電路結(jié)構(gòu)與P1口類似，驅(qū)動(dòng)部分與P1口相同，在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過(guò)256KB時(shí)，P2端口用作高8位地址總線。能夠驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門電路。 P3口 ：也是準(zhǔn)雙向I/O口，輸出級(jí)接有內(nèi)部上拉電阻，作輸入時(shí)，必須先向相應(yīng)的端口鎖存器寫入1。P3 口作為AT89c52的一些特殊功能口， RXD(串行輸入口) TXD(串行輸出口) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) T0(計(jì)時(shí)器 0 外部輸入) T1(計(jì)時(shí)器 1 外部輸入) /WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫通道) /RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀通道)。 REST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 REST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG:當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。 圖32 89C52的最小系統(tǒng) 對(duì)系統(tǒng)功能的要求 （1）通過(guò)L298 H 橋驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)整直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的功能。并實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停。 （2）用1602液晶顯示模塊簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的顯示，在 LCD 上顯示電機(jī)的工作狀態(tài)，觀察電流和轉(zhuǎn)速的變化。 （3）實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速，測(cè)出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，與設(shè)定的值相比較形成偏差并且根據(jù)偏差調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 （4）實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)的作用。 系統(tǒng)的整體框圖 直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)控制硬件主要包括單片機(jī)(AT89C52)控制模塊，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，LCD1602電機(jī)速度顯示模塊，獨(dú)立式鍵盤控制模塊及測(cè)速反饋模塊。本系統(tǒng)通過(guò)L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，獨(dú)立式按鍵控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)使其分別出現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速，減速，急停。測(cè)速反饋模塊測(cè)出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速與給定8052的速度的比較，進(jìn)而做出相應(yīng)的改變。系統(tǒng)整體框圖如圖所示： 晶振模塊鍵盤控制模塊顯示模塊單片機(jī)L298N電機(jī)測(cè)速模塊電源模塊復(fù)位模塊 圖33 系統(tǒng)框圖 直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)介 電動(dòng)機(jī)是用來(lái)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的，根據(jù)負(fù)載的需要，在生產(chǎn)需要中希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能在一定或更寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且要求調(diào)節(jié)的方法既簡(jiǎn)單又經(jīng)濟(jì)。直流電動(dòng)機(jī)在這些方面都有非常突出的優(yōu)點(diǎn)。直流電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁方式可以為：自勵(lì)、他勵(lì)和永勵(lì)。電動(dòng)機(jī)可以分為控制電動(dòng)機(jī)和功率電動(dòng)機(jī)，其中控制電動(dòng)機(jī)分別為（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；（2）伺服電動(dòng)機(jī)；(3)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。而功率電動(dòng)機(jī)可以分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理：將直流電源通過(guò)電刷，接通電樞繞組，使電樞道題有電流流過(guò)；電動(dòng)機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在；載流的轉(zhuǎn)子（電樞）導(dǎo)體將受到電磁力的作用；所有導(dǎo)體將產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n（r/min）旋轉(zhuǎn)以便拖動(dòng)機(jī)械負(fù)載。 直流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn):直流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，效率高，無(wú)勵(lì)磁損耗，調(diào)速性能好。從直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： U—電樞兩端的電壓 Ia—流過(guò)電樞的電流Ra—電樞電路電阻 Ce—直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)—?jiǎng)?lì)磁磁通可知，調(diào)速的方法有兩種：1） 電樞控制，即用調(diào)節(jié)電壓或者在電樞電路中接入調(diào)速電阻來(lái)調(diào)速。2） 磁場(chǎng)控制，即用調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)速。 基于以上特性, 改變電樞電壓, 實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法，被廣泛使用。改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn), 如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)、大功率體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。 電樞電路中接入調(diào)速電阻的情況：電樞電路接入調(diào)速電阻R后，由式可見，機(jī)械特性的斜率將隨之增大，它和負(fù)載特性Tl+To的交點(diǎn)將逐步下移，于是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行。缺點(diǎn)是接入電阻后電樞的銅耗增大，電動(dòng)機(jī)的效率要降低，另外電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將變軟，使負(fù)載變動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較大的變化。 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)速：從公式可見，減少勵(lì)磁電流時(shí)，氣隙磁通量將減少，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。這種調(diào)速方法所用設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單且方便，且效率高，缺點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速和電樞電流的增加，電機(jī)的溫升升高，換向變壞，轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)還可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。 改變電樞電壓時(shí)最常用的調(diào)速方法，可以用兩種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別是可控整流法和脈寬調(diào)制變換器PWM法?？煽卣鞣ㄊ峭ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變晶閘管電流輸出的整流電壓即電樞電壓。這種方法原理簡(jiǎn)單，線性好，但是控制電路比較復(fù)雜，易產(chǎn)生較大熱量。 PWM法是通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓的接通時(shí)間與通電周期的比值來(lái)控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。其優(yōu)點(diǎn)是具有調(diào)速精度高，響應(yīng)速度快，可靠性高以及易于采用單片機(jī)控制。 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 直流調(diào)速是指為了滿足工作機(jī)械生產(chǎn)和生活的要求，人為地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從機(jī)械特性上看，就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的速度穩(wěn)定的發(fā)生變化。 調(diào)速通常通過(guò)給定環(huán)節(jié)，中間放大環(huán)節(jié)，校正環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)和保護(hù)環(huán)節(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。開環(huán)控制系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能自動(dòng)校正，不能使當(dāng)前采樣的速度通過(guò)與給定轉(zhuǎn)速的偏差相比較進(jìn)行的調(diào)速系統(tǒng)。在這種調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，會(huì)受到電源電壓波動(dòng)，負(fù)載波動(dòng)及外界干擾等的影響。相反地閉環(huán)控制系統(tǒng)由于它的反饋環(huán)節(jié)可以使電機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動(dòng)的校正與給定速度的偏差，不會(huì)受到負(fù)載及電網(wǎng)電壓波動(dòng)等外界擾動(dòng)的影響，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與給定轉(zhuǎn)速保持一致，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑穩(wěn)定的調(diào)速。 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、控制裝置和信息控制裝置三部分組成。它能按規(guī)定的指令，及時(shí)的控制電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)方向、位置、速度和加速度等，以滿足工作機(jī)械及生產(chǎn)過(guò)程的要求。(脈寬調(diào)制)調(diào)速工作原理 對(duì)于普通直流電機(jī)，其控制方法比較簡(jiǎn)單，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。對(duì)于直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可以采用改變電壓的方法，PWM調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，加在電機(jī)兩端的電壓就在高電壓和低電壓之間不停的跳變，對(duì)應(yīng)的電機(jī)電壓波形如圖34 所示 圖34 PWM的波形圖 如圖所示此時(shí)加在電機(jī)兩端的平均電壓可以通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)改變Th和Tl的比值。這樣就可以通過(guò)PWM調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均電壓，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 因此如上圖可知PWM調(diào)速的基本原理：“按一定頻率來(lái)接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間長(zhǎng)短，改變電刷電壓上的占空比來(lái)改變通斷電時(shí)間?！盤WM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過(guò)對(duì)