【正文】 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 ............................................. 20 4 .2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) ...................................... 21 主程序及系統(tǒng)初始化模塊 .................................... 21 中斷程序設(shè)計(jì) ............................................. 22 中斷子程序模塊 ........................................... 23 鍵盤 /顯示模塊設(shè)計(jì) .................................. 23 數(shù)字 PID 控制器 ..................................... 25 PID 控制器原理 ........................................ 25 數(shù)字 PID 控制器流程圖 .................................. 26 5 系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 ................................. 29 系統(tǒng)的建模與參數(shù)設(shè)置 ......................... 29 電機(jī) Matlab 仿真 .................................. 31 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 V 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(hào)從而實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。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)用場合的需要。 學(xué)校代碼： 11517 學(xué) 號(hào)： 202007111138 HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING 畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目 單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 河南工程學(xué)院論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解河南工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交論文的印刷 本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 要求設(shè)計(jì)一個(gè)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。 作者簽名： 日 期： 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 II 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果。 文章介紹了 AT89S52 的詳細(xì)參數(shù)，并 對 PWM 信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法 、 以及如何通過軟件編程對 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。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。由于單片機(jī)的體積小、重量輕、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、控制靈 活、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，單片機(jī)的應(yīng) 也更加廣泛特別是在各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化等方面。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。脈寬調(diào)速利用一個(gè)固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短，即改變直流電機(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，因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。因此， PWM 又被稱為 “ 開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ” 。 占空比 D 表示了在一個(gè)周期里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值 ， 變化范圍為0≤ D≤1 。目前，在直流電動(dòng)機(jī)的控制中，主要使用第 3 種方法。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 AT89S52 主要功能 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 三級加密程序存儲(chǔ)器 全雙工 UART 串行通道 AT89S52 引腳 圖 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 8 圖 31 單片機(jī)引腳圖 AT89S52 有 6個(gè)中斷源：兩個(gè)外部中斷 （ INT0 和 INT1），三個(gè)定時(shí)中斷（定時(shí)器 0、 2）和一個(gè)串行中斷。 芯片 IR2110 性能及特點(diǎn) IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨(dú)有的高壓集成電路以及無閂鎖 CMOS技單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 9 術(shù)，于 1990年前后開發(fā)并且投放市場的，是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)的單片式集成驅(qū)動(dòng)器。推挽式驅(qū)動(dòng)輸出峰值電流 ≥2A，負(fù)載為 1000pF 時(shí)，開關(guān)時(shí)間典型值為 25ns。雖然當(dāng) IGBT 關(guān)斷（柵極電壓降為 0）時(shí)， IGBT 的漏極電流也就相應(yīng)地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個(gè)較長時(shí)間的拖尾 ——關(guān)斷時(shí)間較長（ 10～ 50ms），所以 IGBT 的工作頻率較低。 將 IC1的 HIN端與 IC2的 LIN端相連，而把 IC1的 LIN端與 IC2的 HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號(hào)恰好相反。 設(shè) PWM波的周期為 T， HIN為高電平的時(shí)間為 t1，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么 LIN為高電平的時(shí)間就為 Tt1。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 圖 35 PWM 變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形 他們的關(guān)系是： 1 4 2 3g g g gU U U U? ? ? ? ?。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零， 而是正負(fù)脈寬相 等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。 光電編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。 圖 36 編碼器原理圖 增量式光電編碼器在圓盤上有規(guī)則地刻有透光和不透光的線條，在圓盤兩側(cè)安放發(fā)光元件和光敏元件。整形后的 A、 B兩相輸出信號(hào)分別接到 D觸發(fā)器的時(shí)鐘端和 D輸入端， D觸發(fā)器的 CLK端在 A相脈沖的上升沿觸發(fā)。 M/T 法測速原理 M/T法測速原理是在對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù) m1進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對時(shí)鐘脈沖 的個(gè)數(shù) m2也進(jìn)行計(jì)數(shù)。 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 16 這時(shí)，轉(zhuǎn)速計(jì)算公式修改為： 6 0 1 m2 2 m 2mfn Pm ?? 5 8 5 9 4 1＝ （ 36） 鍵盤及顯示電路 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳誦命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段 .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU的工作內(nèi)容之一。簡單地說 ,它有以下一些功能 : 與微處理器接口簡單 。 顯示器設(shè)計(jì) 采用共陰極的發(fā)光二極管構(gòu)成可以顯示 4 位十進(jìn)制的顯示器，運(yùn)行中顯示當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號(hào)中的 78 或 79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 7806 表示輸出電壓為正 6V， 7909 表示輸出電壓為負(fù) 9V。如果單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為 f，定時(shí)器／計(jì)數(shù)器為 N 位，則定時(shí)器初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系為 ： （ 41） 式中， TW— 定時(shí)器定時(shí)初值； N— 一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)鐘數(shù)。 TH0=(65536500)/256。 } void main() { init()。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)向 CPU 申請中斷。 保 護(hù) 現(xiàn) 場讀 入 轉(zhuǎn) 速計(jì) 算 轉(zhuǎn) 速恢 復(fù) 現(xiàn) 場轉(zhuǎn) 速 調(diào) 節(jié)允 許 測 速中 斷 返 回 封 鎖 PWM輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復(fù) 位 圖 43 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷子程序框圖 圖 44故障保護(hù)中斷子程序框圖 當(dāng)故障保護(hù)引腳的電平發(fā)生跳變時(shí)申請故障保護(hù)中斷，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采用定時(shí)中斷。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 將模擬的 PID 算式 ? ? ? ? ? ? ? ? 00p1Ktu udt tdTdtteTte t eDI??????? ??? ? (42) 用求和的方式代替積分；用增量的方式代替微分 .則可作如下近似 ktt? (k=0, 1 ,2,…… ..) ? ? ? ? ????? ??k0jk0jt0ejTjTetdtte (43) ? ? ? ? ? ?? ? T eeT TkekTedt t kk 11de ?????? 進(jìn) 行離散處理有 ? ?00 1kkDjkpk ueeTTeeKu ??????? ???? ??kjITT (44) 這便是增量式 PID 算式，由于它的每次輸出均與過去有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對 Ek進(jìn)行累加，故工作量大。假如主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為： ddIU do R Id L Edt? ? ? E Cen? （ 51） 忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為： 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 30 2375L GD dnTe T dt?? 電磁轉(zhuǎn)矩 Te CmId? （ 52） 式中 LT —— 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩 在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)