【正文】 2 頁(yè) 共 43 頁(yè) 動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。 傳統(tǒng)的改變端電壓的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但這種調(diào)壓方法效率低。直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟動(dòng)制動(dòng)性能良好，且能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在電力、冶金、機(jī)械制造等工業(yè)部 門中得到廣泛應(yīng)用。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。 Hall sensor。電機(jī)轉(zhuǎn)速利用霍爾傳感器檢測(cè)輸出方波，通過(guò) 51單片機(jī)對(duì) 1 秒內(nèi)的方波脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)的反饋控制。本文設(shè)計(jì)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，主要由 51 單片機(jī)、電源、驅(qū)動(dòng)電路、 LED 液晶顯示器、霍爾測(cè)速電路以及獨(dú)立按鍵組成的電子產(chǎn)品。直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，它的特點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑、經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制容易，調(diào)速后效率很高。通過(guò)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)向的人工控制， LED 實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)（速度）的顯示。 Single chip microputer。 1960年以來(lái)，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動(dòng)控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對(duì)滯留拖動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求調(diào)整轉(zhuǎn)速。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。其中脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation， PWM)是常用的一種調(diào)速方法，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占 空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。 選題的目的和意義 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速 ，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本 ，從而有效的提高工作效率。在設(shè)計(jì)中，采用了 PWM 技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 2 基本原理闡述 直流電機(jī)調(diào)速 直流電機(jī)原理 直流電動(dòng)機(jī)，多年來(lái)一直用作基本的換能器。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。給兩個(gè)電刷加上直流電源，如圖 22 所示，有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過(guò)線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab和 cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；如果 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 22 所示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片1 接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動(dòng)方向是 dcba，從電刷 B 流出。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。 fI 變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同 aI 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。 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)的方法被廣泛采用。 （ 2）靜止可控整流器 （簡(jiǎn)稱 VM 系統(tǒng)） 。 旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電 ，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 VM 系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。當(dāng)開關(guān) VT接通時(shí)，電源電壓 U。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶 閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 PWM 脈寬調(diào)制方式 PWM 脈寬調(diào)制的方式有 3 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時(shí)，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。根據(jù)偏差的比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）進(jìn)行的控制，稱為 PID控制。 簡(jiǎn)單的說(shuō)， PID 調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是： （ 1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) ()et ,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差； （ 2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。工業(yè)應(yīng)用中，采用 PID 位置算法是不夠方便和有欠缺的。用理論計(jì)算法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù) 學(xué)模型，這在工業(yè)過(guò)程中一般較難做到。這種方法是對(duì)連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法的擴(kuò)充，適用于有自平衡特性的被控對(duì)象，不需要準(zhǔn)確知道對(duì)象的特性。 圖 31 系統(tǒng)的硬件原理方框圖 其中單片機(jī)負(fù)責(zé)控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，輸入電路用于設(shè)定直流電機(jī)預(yù)期速度及控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停止，顯示電路用于顯示直流電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，測(cè)速電路用于測(cè)量直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。并且它還具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 綜合上述兩種方案比較，采用 AT89S52 作為控制器處理輸入的數(shù)據(jù)并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)較為簡(jiǎn)單，可以滿足設(shè)計(jì)要求。因此此中方案不宜采用。 速度采集模塊設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)是一閉環(huán)控制系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中需要將設(shè)定與當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，速度采集模塊就是為完成這樣功能而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)方案以下三種： 方案一：采用霍爾集成片。其檢測(cè)方式為：發(fā)射器和接受器相互對(duì)射安裝， 發(fā)射器的光直接對(duì)準(zhǔn)接受器，當(dāng)測(cè)物擋住光束時(shí)，傳感器輸出產(chǎn)生變化以指示被測(cè)物被檢測(cè)到。 以上三種方案中，第三種方案不宜采用，第一種和第二種方案的測(cè)速原理基本相同都是將電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖的頻率進(jìn)行 測(cè)量，但考慮到 霍爾式精度比較高，頻率比較快，成本低。數(shù)碼管具有亮度高、工作電壓低、功耗小、易于集成、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、耐沖擊且性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，并且它可采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，編程容易，硬件電路調(diào)試簡(jiǎn)單。 輸入電路設(shè)計(jì)方案 在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要按鍵進(jìn)行參數(shù)的輸入、工作方式的設(shè)定以及電機(jī)起停的控制，因此鍵盤在整個(gè)系統(tǒng)中是不可缺少的一部分，考慮有二種方案： 方案一：采用獨(dú)立式鍵盤，這種鍵盤硬件連接和軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵均有一端接地，另一端接到輸入線上。按鍵設(shè)置在行、列線的交叉點(diǎn)上，利用這種矩陣結(jié)構(gòu)只需 m 根行線和 n 根列線就可組成 mn? 個(gè)按鍵的鍵 盤，因此矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合。 方案二：通過(guò)固定芯 片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓、穩(wěn)壓處理（如 781 7805 等），此種方案可靠性、安全性高，對(duì)能源的利用率高，并且電路簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)通過(guò) LED 顯示出來(lái)。 電源電路設(shè)計(jì) 電源是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運(yùn)行。 Vs 為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 43 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 采用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速是較為常用的測(cè)量方法。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。測(cè)速齒輪厚度大于2mm，固定在待測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。因?yàn)檗D(zhuǎn)速常用 r/min 表示，所以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 V=60N/24=(r/min)。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 AT89S52 主要功能 列舉 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ ROM）為 8KB 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）為 256 字節(jié) 32 個(gè)可編程 I/O 口線 8 個(gè)中斷向量源 三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 全雙工 UART 串行通道 AT89S52 引腳圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 45 AT89S52 單片機(jī)引腳圖 各個(gè)引腳功能在此就不再詳述了。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè) “P N 結(jié) ” 。圖（ b）為共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)， 8 端發(fā)光二極管的陽(yáng)極端連接在一起，陰極端分開控制，使用時(shí)公共端接電源。通常把控制發(fā)光二極管的 7（或 8）位二極管編制稱為字段碼。 圖 47 鍵盤電路 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 43 頁(yè) 整體硬件電路圖 圖 48 整體電路 圖 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 43 頁(yè) 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖 圖 51 主程序流程圖 直流電機(jī)速度控制程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用增量式 PID 控制對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，它根據(jù)本次采樣的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差 ()en ，對(duì)偏差進(jìn)行 P、 I、 D 運(yùn)算最終利用運(yùn)算結(jié)果控制 PWM 脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 圖 53 直流電機(jī)速度控制子程序流程圖 PID 輸出是否 大于上限 開始 速度采樣，求取偏差及其增量 求取 PID 輸出值 PID 輸出是否 小于下限 PID 輸出等于上限 值 PID 輸出等于上限 值 直接輸出 PID 值 控制 PWM 輸 出 返回 Y Y N N 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 43 頁(yè) 鍵盤程序程序流程 采用中斷方式，按下鍵，單片機(jī) 腳產(chǎn)生一負(fù)跳沿， 響應(yīng)該中斷處理程序，完成延時(shí)去抖動(dòng)、鍵碼識(shí)別、按鍵功能執(zhí)行。 本文中由于我們主要使用 keilC51 軟件編輯、調(diào)試程序， Proteus 軟件仿真單 片機(jī)。 圖 61 keilC51 軟件界面 系統(tǒng) Proteus仿真 Proteus 軟件是 Lab center Electronics 公司的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)軟、硬件設(shè) 計(jì)仿真平臺(tái)，包括 ISIS、 ARES 等軟件模塊， ARES 模塊主要用來(lái)完成 PCB 的設(shè)計(jì)，而 ISIS 模塊用來(lái)完成電路原理圖的布圖與仿真。 （ 2）設(shè)置編輯環(huán)境：按上述的方法對(duì) Proteus 的設(shè)計(jì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。再點(diǎn)菜單 Source→ Build ALL 編譯匯編源程序，生成目標(biāo)代碼文件 。 圖 64 上電狀態(tài) 按下啟停按鈕。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 65 啟動(dòng)狀態(tài)（電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） 圖 66 正轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 67 啟動(dòng)狀態(tài)（電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)） 圖 68 反轉(zhuǎn)數(shù)碼管顯示 在圖 65 電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)單片機(jī) 端口的 PWM 波形做了粗略測(cè)量，按動(dòng)多次減速鍵后，當(dāng) COT0=0AH＝ 10 后，減速檔位到達(dá)最高，不再減速，相當(dāng)于速度 1 檔。采用單片機(jī)控制取代了以往的模擬控制，使控制精度更高，而且方便系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)，靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)。在本次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了在網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)本設(shè)計(jì)的各硬件的資源，其中包括：直流電機(jī) PWM 調(diào)速、 AT89S52 單片機(jī)、 L289N 引腳圖及其引腳功能等 、 LED 數(shù)碼管顯示，為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了一定的資料。 湖北科技學(xué)院本科畢業(yè)論文：傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 第 34 頁(yè) 共 43 頁(yè) 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。在此，再一次向 **老師以及關(guān)心幫助我的教師同學(xué)表示最誠(chéng)摯的謝意。 湖北科技學(xué)院本科畢