【正文】 ： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目 錄單片機(jī)控制直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 III摘 要 IIIABSTRACT IV1 緒論 1 1 2 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 8： 8 10 芯片IR2110性能及特點(diǎn) 10 IR2110的引腳圖以及功能 10 元器件的選擇比較、選型 11 H橋雙極性主電路 12 15 光電編碼器 15 M/T法測速原理 16 鍵盤及顯示電路 17 17 18 194系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 PWM實(shí)現(xiàn)方式 21 定時器/計(jì)數(shù)器 21 PWM產(chǎn)生程序 214 .2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 22 22 中斷程序設(shè)計(jì) 23 中斷子程序模塊 24 24 26 PID控制器原理 26 數(shù)字PID控制器流程圖 275系統(tǒng)的MATLAB仿真 30 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 30 32結(jié)束語 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36附錄 37單片機(jī)控制直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 摘 要本文主要研究了利用AT89S52單片機(jī)控制PWM信號從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。本系統(tǒng)中使用了光電編碼器對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，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)了對直流電機(jī)速度的控制。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙了直流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。電動機(jī)的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。如今，直流電動機(jī)的調(diào)速控制已經(jīng)離不開單片機(jī)的支持，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了自動控制技術(shù)的發(fā)展，使人類社會步入了自動化時代，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與其他學(xué)科領(lǐng)域交叉融合，促進(jìn)了學(xué)科發(fā)展和專業(yè)更新，引發(fā)了新興交叉學(xué)科與技術(shù)的不斷涌現(xiàn)。近年來，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。直流電機(jī)電路模型如圖11 所示，磁極N、S 間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。 圖11 直流電動機(jī)電路模型 不同勵磁方式的直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。文章中采用了通過編程實(shí)現(xiàn)PWM信號的發(fā)生，然后通過IR2110來驅(qū)動電機(jī)。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。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，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對直流電動機(jī)的平滑調(diào)速，并通過單片機(jī)控制速度的變化。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖驅(qū)動電路 AT89S52單片機(jī)（速度的測量計(jì)算、輸入設(shè)定及系統(tǒng)控制）LED顯示PWM 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測反饋鍵盤控制 圖12 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖2 PWM脈寬調(diào)制原理 PWM調(diào)速原理PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)就是通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）的技術(shù)。如圖所示： 圖21 PWM信號的占空比根據(jù)上圖，如果電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機(jī)的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得到不同的電機(jī)速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 （3）定頻調(diào)寬法：保持周期（或頻率）不變，同時改變、。 PWM 實(shí)現(xiàn)方式方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。從而達(dá)到對直流電機(jī)的較為精確的控制。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。IE還包括一個中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷。這種控制功能是通過定時器方式控制器TMOD來完成的。它把驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)MOSFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內(nèi)，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點(diǎn)在于，將輸入邏輯信號轉(zhuǎn)換成同相低阻輸出驅(qū)動信號，可以驅(qū)動同一橋臂的兩路輸出，驅(qū)動能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，工作電壓比較高，可以達(dá)到600V，其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，成本低、易于調(diào)試。 IR2110的引腳圖以及功能圖32 IR2110管腳圖IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS工藝制作，具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道；邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS輸出兼容；浮置電源采用自舉電路，其工作電壓可達(dá)500V，du/dt=177。兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時為120ns，關(guān)斷延時為94ns。（3）較寬的低摻雜漂移區(qū)（n區(qū)）能夠承受很高的電壓，因而可以實(shí)現(xiàn)高耐壓的器件。但這本設(shè)計(jì)中IGBT仍然是本設(shè)計(jì)驅(qū)動的最理想器件?！? H橋雙極性主電路從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。在HIN為高電平期間，VT VT 4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：電源經(jīng)VT 3至電動機(jī)的負(fù)極經(jīng)過整個直流電機(jī)后再通過VT 2到達(dá)零電位，完成整個的回路。HIN信號的占空比為D=t1/T。如果我們聯(lián)系改變λ，那么便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無級調(diào)速。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時。當(dāng)正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。這個交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。3）電動機(jī)停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”。 按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩種。增量式編碼器是專門了用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計(jì)量。碼盤上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈z相輸出一個脈沖。編碼盤輸出的z相脈沖用于復(fù)位計(jì)數(shù)器，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，B相脈沖超前A相脈沖90176。 轉(zhuǎn)速檢測的精度和快速性對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。設(shè)從圖37上a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器分別對m1和m2計(jì)數(shù)，到達(dá)b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測速時間Tc到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，但因?yàn)門c不一定恰好等于整數(shù)個編碼輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對時鐘脈沖計(jì)數(shù)，直到c點(diǎn)時，可以利用下一個轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即c點(diǎn)）觸發(fā)數(shù)字測速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。希望在低速獲得高精度測速值，于是利用光碼盤A，B兩相輸出在相位上互差90176。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。它是一種實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入和段式數(shù)碼顯示控制的專用智能芯片。 能以中斷或查詢兩種方式工作。數(shù)字部分用來輸入給定轉(zhuǎn)速，控制部分用來控制電機(jī)的運(yùn)行。8279與單片機(jī)、鍵盤和顯示器的外圍總接線如圖39示。故名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。 定時器/計(jì)數(shù)器由于PWM信號軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時器，而不同單片機(jī)的定時器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系也不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機(jī)型給出相應(yīng)的值。sbit PWM=P1^0。 EA=1。 TL0=(65536500)%256。 num=0。此程序共有2個中斷源：外部中斷0，用于電機(jī)故障處理；外部中斷1，用于鍵盤輸入處理。外部中斷1模塊設(shè)計(jì)外部中斷1是鍵盤輸入中斷，高優(yōu)先級。T0用來定時，T1用來計(jì)數(shù)，T0和T1均工作于方式1。 鍵盤/顯示模塊核心控制器件是8279，由軟件設(shè)置為8字符顯示，左端送入，編碼掃描鍵盤，雙鍵互鎖，內(nèi)部時鐘頻率設(shè)置為100KHz。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。比例（P）控制error）。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。對三式稍作推導(dǎo)即得到下式。 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖圖，如圖51 圖51無靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的框圖 下面我們將分別給出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 ——額定勵磁下電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)（／A），＝ ，將上述微分方程式加以整理可得 ＝ （53）其中 ＝L／R—————電磁時間常數(shù)； Tm＝———電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)；————過載電流（A）。他勵電壓：220V。在MATLAB命令窗口中輸入： Ra=。f=。 dcm=ss(G2)*[G1,1]。 得到電動機(jī)的傳遞函數(shù)：帶PID調(diào)節(jié)器的單環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖54所示。致 謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，凝結(jié)了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，想要完成這個設(shè)計(jì)是難以想象的。借此論文之際，我想向所有人表達(dá)我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。sbit ena=P3^7。 ///占空比控制字uchar n=1。unint ys=0。delays()。 P2=0。 TMOD=0X15。 TH0=0。 ///允許定時器0中斷 ET1=1。 ///調(diào)用按鍵掃描程序 control()。 ///停止定時 zc++。 TH1=0Xfa。 } if(zc==15) { zc=0。 ///求速度個位值送各位顯示緩沖 sw=(speedbuf/10)%10。i4。 } else if(i==1) ///顯示十位 { P0=zm[sw]。 } else if(i==3) ///顯示千位 { P0=zm[qw]。 ///停止計(jì)數(shù) speedbuf=((TH0*256+TL0)*8)/3。 TR0=1。i)。 ///讀P1口 if(i==0xfe) ///第一個鍵按下 { delays()。 ///延時去抖動 if(i==0xfd) ///再判斷按鍵是否按下 { in1=1。 ///速度加((慢速) if(a=15) a=15。 } } if(i==0xef) { delays()。 if(i==0xdf) if(a3) ///速度減,(快速) a=am。 ///停止轉(zhuǎn)動 in2=0。 ///等待按鍵放下}學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作所取得的成果。學(xué)位論文作者（本人簽名）： 年 月 日學(xué)位論文出版授權(quán)書本人及導(dǎo)師完全同意《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》、《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》(以下簡稱“章程”)，愿意將本人的學(xué)位論文提交“中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社”在《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》、《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》中全文發(fā)表和以電子、網(wǎng)絡(luò)形式公開出版，并同意編入CNKI《中國知識資源總庫》，在《中國博碩士學(xué)位論文評價數(shù)據(jù)庫》中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程”規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)（論文）；同意學(xué)校在不以營利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部內(nèi)容，允許他人依法合理使用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。沒有他們的幫助，我將無法順利完成