【正文】 附錄1 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器硬件設(shè)計(jì)電路圖 附錄2 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)程序清單include include include unsigned int CHOBIT。可以說(shuō)，在我的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中受益最大的就是明白了與人合作的重要性，在一個(gè)沒(méi)有合作的團(tuán)隊(duì)里，工作將會(huì)很累，而且最后很可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。而整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程，不僅僅是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次回顧和串連，更多的是鍛煉了我解決一個(gè)實(shí)際課題、實(shí)踐的能力。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給關(guān)心我的老師、家人、同學(xué)及朋友們。 致謝 在這個(gè)學(xué)期以來(lái)的課題研究過(guò)程中，從課題的選擇、理論知識(shí)的學(xué)習(xí)、硬件電路設(shè)計(jì)、調(diào)試工作以及論文的完成都是在胡曉東老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 （5）、由于缺乏直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，缺少示波器等檢測(cè)儀器。 （2）、通過(guò)PWM信號(hào)控制電樞繞組的平均電壓值，電動(dòng)機(jī)可以平滑調(diào)速。結(jié)論 該實(shí)驗(yàn)在參考國(guó)內(nèi)關(guān)于直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速的理論后，設(shè)計(jì)了以C8051F020單片機(jī)作為控制核心的數(shù)字式直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，并采用了軟件實(shí)現(xiàn)的PI控制器進(jìn)行控制。（3）、問(wèn)題：按下功能鍵，不能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。（1）、問(wèn)題：硬件電路搭建好后，供電電源工作正常，但是電動(dòng)機(jī)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。 結(jié)果分析及討論由于缺少實(shí)驗(yàn)所用的直流電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，無(wú)法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此采用試湊法進(jìn)行參數(shù)的確定。 單閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果閉環(huán)系統(tǒng)是在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了轉(zhuǎn)速環(huán)，并用軟件實(shí)現(xiàn)PI控制。該工具可實(shí)現(xiàn)單步、連續(xù)單步、硬件斷點(diǎn)、停止/運(yùn)行、支持貯存器和寄存器的修改與查看、下載程序到貯存器、加密等功能。 （5）、內(nèi)部過(guò)流、短路保護(hù)。主要性能： （1）、輸出電壓：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1），定時(shí)器每50ms定時(shí)中斷一次，計(jì)數(shù)器計(jì)入每50ms電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)次數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)并顯示。另一方法是將小磁鋼粘在霍爾開(kāi)關(guān)背面,一起靠近轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪,由于齒輪的凹與凸,使霍爾開(kāi)關(guān)的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈明顯變化,霍爾開(kāi)關(guān)同樣輸出脈沖,這樣當(dāng)脈沖輸入頻率測(cè)量?jī)x,即可達(dá)到相應(yīng)的測(cè)量與控制目的。常見(jiàn)的霍爾開(kāi)關(guān)有UGN310,抗干擾能力強(qiáng),因而應(yīng)用廣泛。集成霍爾傳感器一般可分為三種:集成線(xiàn)性霍爾傳感器（也稱(chēng)位置傳感器） 、集成霍爾開(kāi)關(guān)和集成霍爾鎖存器 。如:位移傳感、速度傳感、角度傳感、電流感應(yīng)、直流電機(jī)、汽車(chē)點(diǎn)火和自動(dòng)控制等。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中按下升速、降速或反轉(zhuǎn)鍵則能進(jìn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)升、降速及反轉(zhuǎn)的控制。六個(gè)按鍵通過(guò)四個(gè)與門(mén)后與外部中斷0、1口相連，則只要有按鍵按下，就會(huì)觸發(fā)外部中斷0、1。圖34 H型PWM變換電路（主電路） LED顯示電路LED顯示電路由一個(gè)共陽(yáng)極四位一體的LED實(shí)現(xiàn)，硬件電路如圖35所示。由圖可知，該電路有兩個(gè)輸入端，當(dāng)任一端輸入高電壓而另一端輸入低電壓時(shí)，高電壓一邊的BC184導(dǎo)通使得與之相連的TIP3TIP31分別處于導(dǎo)通、截止的狀態(tài)，而低電壓一邊的BC184截止使得與之相連的TIP3TIP31分別處于截止、導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)形成一個(gè)回路，電動(dòng)機(jī)電樞繞組承受電壓。因此改變占空比是通過(guò)向PCA0CPHn寫(xiě)入一個(gè)8位數(shù)來(lái)完成的。 使用可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器陣列獲得8位PWM信號(hào) 當(dāng)PCA 捕捉/比較模塊配置為8位PWM方式時(shí)，出現(xiàn)在CEXn的波形周期等于256個(gè)PCA時(shí)鐘周期，該信號(hào)的低電平時(shí)間等于在模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn的低字節(jié)中所存儲(chǔ)的8位數(shù)字，在主PCA計(jì)數(shù)器PCA0L的低字節(jié)發(fā)生溢出時(shí)，模塊的比較寄存器的高字節(jié)被拷貝到模塊的比較寄存器的低字節(jié)中（PCA0CPLn=PCA0CPHn），通過(guò)更新PCA0CPHn就能改變占空比，拷貝過(guò)程保證在輸出端不產(chǎn)生毛刺。這是一個(gè)大的數(shù)字開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到P0、PP2和P3的端口I/O引腳，如圖21所示。這些端口I/O的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時(shí)鐘輸入可以通過(guò)數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)連到MCU的端口I/O引腳。（2）、可變成計(jì)數(shù)器陣列：除了5個(gè)16位的通用計(jì)數(shù)器/定時(shí)器之外，C8051F020 MCU系列還有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)支持觀(guān)察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、堆棧指示器和單步執(zhí)行。端口I/O、/RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。以下為其主要特性： （1）、高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS） （2）、全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） （3）、真正12位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開(kāi)關(guān) （4）、真正8位500ksps的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開(kāi)關(guān) （5）、兩個(gè)12位DAC,具有可編程的FLASH存儲(chǔ)器 （6）、64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器 （7）、4352字節(jié)的片內(nèi)RAM （8）、可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 （9）、硬件實(shí)現(xiàn)的SPI\SMBus、和兩個(gè)UART串行接口 （10）、5個(gè)通用的16位定時(shí)器 （11）、具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 （12）、片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。式210表明：計(jì)算本次的控制量只需上次的控制量和上次與本次的偏差量即可。+轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)PI晶閘管裝置直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋圖26 數(shù)字式轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)字式PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)原理 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：，其中，為積分時(shí)間常數(shù)，為比例系數(shù)。需要指出，“無(wú)靜差”是理論上的，因?yàn)楸壤e分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)電容器C兩端電壓不變，相當(dāng)于開(kāi)路，運(yùn)算放大器的放大系數(shù)理論上為無(wú)窮大，才能達(dá)到輸入偏差電壓為0，輸出電壓為任意所需值。積分部分在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除轉(zhuǎn)速偏差。 ++_A圖25 帶調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （1）、當(dāng)采用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，得式25： （2）、當(dāng)采用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為 得到負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)速度偏差為： 式26突加負(fù)載使，利用拉氏變換的終值定理可以求出負(fù)載擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差為： 因此，比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)為無(wú)靜差系統(tǒng)。對(duì)于有靜差調(diào)速系統(tǒng)，如果根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求計(jì)算出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，動(dòng)態(tài)性能可能較差，或根本達(dá)不到穩(wěn)態(tài)，也就談不上是否滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)要求。（4）、利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅特性，可自然實(shí)現(xiàn)“電流截止特性”。因此，工程中為改善轉(zhuǎn)速單閉環(huán)的動(dòng)、靜態(tài)性能而加入電流環(huán)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。（1）、響應(yīng)速度慢由于電氣的時(shí)間常數(shù)一般較大，使得Rn(s)的調(diào)節(jié)作用要經(jīng)過(guò)的延時(shí)才能產(chǎn)生相應(yīng)的電樞電流Id(電磁轉(zhuǎn)矩Te)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速偏差，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速度受到限制。此外，閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)于檢測(cè)裝置本身的誤差也是無(wú)法克服的。這一性質(zhì)是閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)最突出的特征。（2）、具有較強(qiáng)的抗干擾性能 反饋閉環(huán)系統(tǒng)具有很好的抗擾性能，對(duì)于作用在被負(fù)反饋所包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)都能有效地抑制。 （1）、具有比例放大器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。調(diào)節(jié)器被控對(duì)象擾動(dòng)量檢測(cè)裝置輸出量反饋量偏差輸入量+ －圖23 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，輸出量是轉(zhuǎn)速，通常引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。必須采用閉環(huán)反饋控制消除擾動(dòng)靜差為克服其缺點(diǎn)，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，方框圖如圖23所示。因此必須設(shè)法限制電樞動(dòng)態(tài)電流的幅值。其中常用后兩中方法獲得PWM信號(hào)。這些芯片除了由PWM信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。它是最早期的方式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰了。（3）、定頻調(diào)寬法：保持周期（或頻率）不變，同時(shí)改變、。由式21可知，當(dāng)電源電壓不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有八類(lèi)方法：相電壓控制PWM、線(xiàn)電壓控制PWM、電流控制PWM、非線(xiàn)性控制PWM，諧振軟開(kāi)關(guān)PWM、矢量控制PWM、直接轉(zhuǎn)矩控制PWM、空間電壓矢量控制PWM。在開(kāi)關(guān)放大器中，常采用晶體管作為開(kāi)關(guān)器件，晶體管如同開(kāi)關(guān)一樣，總是處在接通和斷開(kāi)的狀態(tài)。 （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)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為：以C8051F020為核心，由轉(zhuǎn)速環(huán)、顯示、按鍵控制等電路組成。因此該實(shí)驗(yàn)中選用Cygnal公司的單片機(jī)C8051F020。由于它具有良好的線(xiàn)性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。 總結(jié) 隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)直流電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求，這就要求大量使用直流調(diào)速系統(tǒng)。如西門(mén)子公司生產(chǎn)的SIMOREGK 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，用于直流電機(jī)電樞和勵(lì)磁供電，完成調(diào)速任務(wù)。上訴的控制方法僅是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用和研究的一個(gè)側(cè)面，國(guó)內(nèi)外還有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了不同程度的研究。這種單神經(jīng)元自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)不僅具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，而且還具有令人滿(mǎn)意的魯棒性與自適應(yīng)性。（2）、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)?？刂品椒?。用于中、小功率的 ～200KW晶閘管直流調(diào)速裝置已作為標(biāo)準(zhǔn)化、系列化通用產(chǎn)品批量生產(chǎn)。在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所用的功率器件亦經(jīng)歷了幾次更新?lián)Q代。相比之下，直流電動(dòng)機(jī)雖然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較高、維修麻煩等缺點(diǎn)，但由于具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動(dòng)性能以及易于在寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，因此直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果知，該單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，達(dá)到預(yù)期效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，控制8位PWM信號(hào)輸出可平滑改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)升速、降速及反轉(zhuǎn)等功能。該實(shí)驗(yàn)中搭建了基于C8051F020單片機(jī)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，利用PWM信號(hào)改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓，并由軟件完成轉(zhuǎn)速單閉環(huán)PI控制，旨在實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，并對(duì)PI控制原理及其參數(shù)的確定進(jìn)行更深的理解。、電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在3秒左右達(dá)到穩(wěn)定。交流電動(dòng)機(jī)直流具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)為調(diào)速較為困難。其中電機(jī)的控制部分已經(jīng)由模擬控制逐漸讓位于以單片機(jī)為主的微處理器控制，形成數(shù)字與模擬的混合控制系統(tǒng)和純數(shù)字控制系統(tǒng)，并正向全數(shù)字控制方向快速發(fā)展。脈寬調(diào)制控制方法在直流調(diào)速中獲得了廣泛的應(yīng)用。通常PWM配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 我國(guó)從六十年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，