【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于單片機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)課題任務(wù)書院(系)：電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱基于單片機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容及任務(wù) 分析單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行速度測(cè)量應(yīng)用的基本原理，并用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波來控制直流電機(jī)的可逆調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。研究以單片機(jī)AT89S52和IR2110控制的直流電機(jī)脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)。利用AT89S52芯片可以進(jìn)行低成本直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并且能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、以滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要。擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)要求:(1)設(shè)計(jì)一個(gè)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，通過外接鍵盤及按鈕實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及速度調(diào)節(jié)控制。(2)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為3050轉(zhuǎn)/秒，實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,并要求在LED數(shù)碼管上顯示出來。(3)選擇可以構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)的方案、選擇所需器件和模塊、以及IGBT管組成橋式斬波電路。(4)要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速的控制，以及PWM的占空比在LED上的實(shí)時(shí)顯示。(5)對(duì)直流電機(jī)模型進(jìn)行PID控制分析。(6)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行MATLAB仿真和分析。摘 要本文主要研究了利用AT89S52單片機(jī)控制PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。文章介紹了AT89S52的詳細(xì)參數(shù)，并對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法、以及如何通過軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)波形等均作了闡述。設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，硬件部分和軟件部分。對(duì)于硬件部分首先從總體上做了設(shè)計(jì)，也就是以AT89S52為中心來組成硬件部分，其輔助部分包括了顯示電路、測(cè)量電路、鍵盤電路；對(duì)于軟件部分則選擇了使用模塊化的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求以及它要實(shí)現(xiàn)的功能編寫了屬于每個(gè)模塊部分的流程圖。并且說明了軟件的設(shè)計(jì)方式和思路。此外，本文中還采用了芯片IR2110作為直流電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)速功率放大電路的驅(qū)動(dòng)模塊，并且把它與延時(shí)電路相結(jié)合完成了在主電路中對(duì)直流電機(jī)的控制。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了PID運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。本系統(tǒng)中使用了光電編碼器對(duì)輸出的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了測(cè)量，并且作為反饋值輸入到單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出速度的控制。關(guān)鍵詞： PWM信號(hào)；IR2110；PID運(yùn)算ABSTRACT This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using AT89S52 singlechip puter to control the speed of a . motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. The design is divided into two parts,hardware and software the hardware part,the AT89S52 is the center form of the hardware part,the auxiliary part includes display circuit,measuring circuit,keyboard circuit。Software adopts modular design each modular flow the design thought and method of addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation of . motor. What’s more, is used in this system to measure the speed of . motor. In software, the article introduced the PID operation procedures, such as initial program and the writing of the thought and specific program realization .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 singlechip puter and participates in a PIDcalculation. Key words: PWM signal；IR2110；PID calculation目錄摘要 ⅠABSTRACT Ⅱ目錄 Ⅲ1 緒論 1 1 2 系統(tǒng)方案與分析 3 42 PWM脈寬調(diào)制原理 5 PWM調(diào)速原理 5 PWM 調(diào)速方法 5 PWM 實(shí)現(xiàn)方式 63硬件部分 7 7 8 芯片IR2110性能及特點(diǎn) 8 IR2110的引腳圖以及功能 9 元器件的選擇比較、選型 10 H橋雙極性主電路 10 13 光電編碼器 14 M/T法測(cè)速原理 15 鍵盤及顯示電路 16 16 16 17 184系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 20 PWM實(shí)現(xiàn)方式 20 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 20 PWM產(chǎn)生程序 21 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 22 22 中斷程序設(shè)計(jì) 22 中斷子程序模塊 23 23 25 PID控制器原理 25 數(shù)字PID控制器流程圖 265系統(tǒng)的MATLAB仿真 29 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 29 31結(jié) 束 語(yǔ) 34參考文獻(xiàn) 35致 謝 36附 錄 371 緒論 直流電機(jī)問世已有一百四十多年的歷史。在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上有很大進(jìn)步, 新材料、新技術(shù)的應(yīng)用以及整流電源的普及, 促進(jìn)了一般工業(yè)用直流電機(jī)的不斷擴(kuò)大, 品種的日益繁多。從小至數(shù)瓦, 大到萬(wàn)余千瓦, 廣泛地用于冶金、礦山、煤炭、起重運(yùn)輸、機(jī)床制造、紡織印染等各個(gè)部門中, 特別是近幾年電子計(jì)算技術(shù)廣泛應(yīng)用在直流電機(jī)設(shè)計(jì)制造中。從直流電動(dòng)機(jī)的演變歷史, 也可以縱觀直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史和動(dòng)向、從四十年代后期到五十年代的前期, 直流電動(dòng)機(jī)的電源主要是采用MG電動(dòng)發(fā)電機(jī)組,六十年代初, 電動(dòng)發(fā)電機(jī)組電源已被水銀整流器逐漸代替, 到六十年代后期, 由于可控硅整流裝置的出現(xiàn), 并得到迅速發(fā)展, 可控硅整流電源已占統(tǒng)治地位。由于直流電源供電方式的不斷更新?lián)Q代, 特別是在最近的十幾年期問, 進(jìn)一步促使了直流電動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率、轉(zhuǎn)速不斷提高, 目前朝著高速、大功率方向發(fā)展。另外, 由于絕緣技術(shù)和分析技術(shù)的進(jìn)步, 直流電動(dòng)機(jī)已迅速向小型輕量, 低慣量方面發(fā)展。 時(shí)代在進(jìn)步，各種各樣的深入研究和技術(shù)也得到不斷地發(fā)展和進(jìn)步，理所當(dāng)然，許許多多的科研成果和更多非常好的性能和品質(zhì)直流電機(jī)產(chǎn)品得以出現(xiàn)。也就是在這個(gè)時(shí)候，1985年，一些具有創(chuàng)新意識(shí)的好公司像美國(guó)的Ingersol銑床公司利用自身的優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)出了HVM600高速加工中心，這是其他產(chǎn)品很難超越的，因?yàn)檫@其中使用了永磁同步直線電機(jī)。隨著時(shí)間的推移，直線電機(jī)速度的最大值不斷變化，但時(shí)間定格在1997年時(shí)，直線電機(jī)速度的最大值已經(jīng)能夠達(dá)到150～200 m/min，其中做的比較突出的是法國(guó)Renault automation公司的加工中心和德國(guó)Trumpf公司的激光機(jī)床。由于現(xiàn)代技術(shù)不斷發(fā)展使得控制技術(shù)、冷卻技術(shù)以及許多的新型磁性材料不斷地被研制出來，從這些最被看好有未來的產(chǎn)品中我們能夠得出，直線電機(jī)正在廣泛的被應(yīng)用于高速度機(jī)床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)中。如今，直流調(diào)速受到了很大的沖擊，原因在于變頻技術(shù)的橫空出世，使得交流調(diào)速的優(yōu)勢(shì)得以展現(xiàn)，但這并不影響一個(gè)非常重要的位置屬于直流調(diào)速系統(tǒng)，原因在于從全局來看的話，考慮到我們國(guó)家在這方面的一些實(shí)際情況，另外還出現(xiàn)了直流調(diào)速系統(tǒng)的全數(shù)字化，使得可靠性及精度在直流調(diào)速系統(tǒng)得到了很大的提高。穩(wěn)速對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制十分重要，因?yàn)檫@是個(gè)最難實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)，相對(duì)于調(diào)速、加速或減速這兩方面來講，穩(wěn)速的指標(biāo)在于要求以一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速的波動(dòng)要控制在很小的范圍內(nèi)，要有一定能夠應(yīng)對(duì)不同的干擾的能力，工業(yè)上，能夠很好地實(shí)現(xiàn)調(diào)速、加速或減速這兩方面的功能，但是對(duì)于穩(wěn)速精度的功能的實(shí)現(xiàn)還是有一定的困難。電機(jī)在各行各業(yè)發(fā)揮著重要的作用,而電機(jī)轉(zhuǎn)速是電機(jī)重要的性能指標(biāo)之一,因而測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電機(jī)的調(diào)速,使它滿足人們的各種需要,更顯得重要，而且隨著科技的發(fā)展,PWM調(diào)速成為電機(jī)調(diào)速的新方式。 隨著技術(shù)的高速進(jìn)步，越來越多的行業(yè)開始采用控制系統(tǒng)的自動(dòng)化，現(xiàn)代化生產(chǎn)變得越來越重要的是主流開始變?yōu)殡姎鈧鲃?dòng)采用直流驅(qū)動(dòng)控制。直流電動(dòng)機(jī)之所以能在傳動(dòng)領(lǐng)域統(tǒng)治地位中占有重要的一席之地，原因在于它不僅控制性能好，調(diào)節(jié)方法簡(jiǎn)單，而且能夠大范圍平滑調(diào)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)非常靈活?，F(xiàn)在社會(huì)生產(chǎn)中，只要是工廠自動(dòng)化設(shè)備，不管是機(jī)器人還是數(shù)控機(jī)床都在廣泛應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)。稍加思索我們就會(huì)知道，隨著社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模的繼續(xù)加大，直流電機(jī)各方面的性能和直流電機(jī)的需求量都會(huì)需要提出一些新的要求，那就是更好的性能，更大規(guī)模的需求量。因此，對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行高可靠性的，高性能的研究工作對(duì)現(xiàn)實(shí)生活具有非常重要的意義。直流電機(jī)電路模型如圖11 所示，磁極、間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈。當(dāng)線圈中流過電流時(shí)，線圈受到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的方向也將改變，因此通過改變線圈電路的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。直流電機(jī)模型見圖11。 圖11 直流電動(dòng)機(jī)電路模型 不同勵(lì)磁方式的直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。但是對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： （11）式 電樞供電電壓（V） 電樞電流（A） 勵(lì)磁磁通（Wb) 電樞回路總電阻（） 電勢(shì)系數(shù)，為電磁對(duì)數(shù)，為電樞并聯(lián)支路數(shù)，為導(dǎo)體數(shù)。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類：勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，容易因磁場(chǎng)飽和而受到影響。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控法。其中脈寬調(diào)制(PWM)就是保持頻率不變，通過控制占空比來改變“占空比”的百分比，從而改變電樞電壓的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 系統(tǒng)方案與分析本文主要研究了利用AT89S52單片機(jī)，通過PWM方式來改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。文章中采用了通過編程實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的發(fā)生，然后通過IR2110來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。利用光電編碼器測(cè)得電機(jī)速度，把電壓信號(hào)反饋給單片機(jī)，在內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。 單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速簡(jiǎn)介：?jiǎn)纹瑱C(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變電樞兩端電壓的大小，從而使電壓變?yōu)橐蟮囊环N控制方法。在調(diào)整系統(tǒng)中，PWM的作用表現(xiàn)為控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂七^程為在固定頻率的前提下，即保持周期不變的情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)要求來接通和斷開電源，通過改變“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。從而使輸出的平均電壓發(fā)生變化，也就是因?yàn)楦淖兞穗姌须妷旱摹罢伎毡取?，從而?shí)現(xiàn)了控制平均電壓的大小。因此，“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”也是PWM一個(gè)別稱。本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)控制，C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。 本系統(tǒng)以單片機(jī)系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調(diào)速的基本原理，以直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)