【正文】 定 。s precision. Key Words Single ship puter。 黑龍江大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 論文題目： 基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 學(xué) 院： 機電工程學(xué)院 年 級： 2021 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2021 年 5 月 19 日 摘 要 本文主要 介紹了基于 單片機 的直流 調(diào)速系統(tǒng)， 確定了 直流電機 速度 控制系統(tǒng)的基本 設(shè)計 方案 。 Dc motor。 而當(dāng)今，單片微型計算機的功能不斷加強，運算速度不斷提高，價格降低且可靠性增強，數(shù)字控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，給電力拖動自動控制系統(tǒng)增添了新的技 術(shù)手段，數(shù)字控制可由通用的單片微型計算機 來實現(xiàn)，單片微型計算機除完成數(shù)字運算外，還可以實現(xiàn) PID 以及其它各種特殊的控制規(guī)律，可以存儲和計算不同條件下的速度設(shè)定值及變化規(guī)律，同時對各種工藝參數(shù)進行檢測、顯示、越限報警和打印報表等。在數(shù)字化系統(tǒng)中除具有常規(guī)的調(diào)速功能外，還可實現(xiàn)故障報警、診斷及顯示等功 能。 脈寬調(diào)制調(diào)速法突破傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速 ， 節(jié)省了電能 。 在 80 年代初又推出了MCS51 系列的高性能的 8 位單片機。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和 I/O 接口電路等。 Intel 公司在 MCS48 基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機系列 MCS51。 8051 單片機引腳圖及引腳功能 圖 21 8051單片機 引腳圖 圖 22 8051單片機 引腳功能 圖 基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 5 單片機引腳圖及引腳功能圖分別如圖 2圖 22 所示。當(dāng) EA 為低電平時， CPU 只執(zhí)行片外程序存儲器指令。 （ 5）四個 8 位可編程的基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 6 并行 I/O 端口，每個端口既可作輸入，也可作輸出。 每個 機器周期由 6 個狀態(tài)周期 組成，即 1S 、 2S 1） 單片機的 振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期 相互關(guān)系如圖 24 所示。 外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機 內(nèi)。在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放其中一個乘數(shù)和乘積的高 8 位數(shù)；在執(zhí)行除法運算指令時， B 中存入除數(shù)及余數(shù)。 圖 26 8051單片機 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 (2)控制部件 控制部件是單片機的神經(jīng)中樞，它包括時鐘電路、復(fù)位電路、指令寄存器、譯碼基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 9 以及信息傳送控制部件。當(dāng)從外部 ROM 中取指令時，采用選通信號 PSEN，而從外部 RAM 中讀寫數(shù)據(jù)時則采用讀RD 和寫 WR 信號或來選通，因此不會因地址 重疊 而發(fā)生混亂。主要用來存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以 16 位的程序計數(shù)器 PC 作為地址指針，尋址空間為 64KB。 （ 1）地址總線（ AB）： 用來傳輸主存的單元地址碼、外部設(shè)備的設(shè)備碼或地址碼 。 P0、 P P2 和 P3 這 4 個 I/O 口的結(jié)構(gòu)不盡相同，因此它們的功能和用途也不相同。其結(jié)構(gòu)如圖 29 所示。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故 P3 端口為靜態(tài)雙功能端口 [2]。 給定 輸出 — 圖 31 系統(tǒng) 工作原理 圖 由 圖 31 可知 ， 如果電機始終接通電源時 ， 電機轉(zhuǎn)速最大為 maxV ， 占空比為TtD /1? ； 則電機的平均速度為 ： DVVD ?? max ， 可見只要改變占空比 D， 就可以得到不同的電機速度 ， 從而達到調(diào)速的目的 ， 嚴格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴格的線性關(guān)系 ， 在一般的應(yīng)用中 ， 可將其近似看成線性關(guān)系 [3]， 如圖 32 所示。而在aaa RIU ? 中 ， 由于 aR 僅為繞組電阻 ， 導(dǎo)致 aaRI 非常小 ， 所以 aaa RIU ? ? aU 。采用晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)，其特性方程式為 : ddeU I Rn K?? (33) 式中 : eK — 當(dāng)磁通恒定時電動機的電勢常數(shù)， ?? ee CK dU — 理想空載整流電壓 )(V 基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 16 dI — 整流電流的平均值 )(A R — 電樞回路總的等效電阻 )(? 但是當(dāng)延遲角 ? 很大，而且負載電流很小時，電流斷續(xù)作用顯著，如果此時仍采用上述近似處理，其誤差就很大，這時可以近似地采用兩段直線來描述。脈寬調(diào)速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開 ， 并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短 ， 即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小 ， 從而控制電動機的轉(zhuǎn)速 ， 因此 ， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 17 圖 37 A/D轉(zhuǎn)換電路圖 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要性能參數(shù)有 ： 1)分辨率 ： 分辨率表示 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力 ， A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示 。圖中用 DAC0832 作為 D/A轉(zhuǎn)換器芯片 ， 其輸入為電流信號 ， 可用 UA741 集成運放將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。 數(shù)碼管顯示電路 模組提供了 4 位共陰極 LED 數(shù)碼管，數(shù)碼管采用 ULN2021A 為其提供驅(qū)動電流。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè) 的 功率因數(shù)大大改善。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng) ??ti 也是周期性的。這里所說的效果基本相同 ， 是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同 。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看 成由 N 個彼此相連的脈沖所組成的波形。其中 ， 1U 、 2U 的 0A ～ 3A 分別接 ～ 、 ～ 。這種方法要占用 CPU 大量時間，使單片機無法進行其它的工作，因此也逐漸被淘汰。在新一代的單片機中通過初始化設(shè)置，使其 PWM 輸出口能夠自動發(fā)出 PWM 脈沖波，只有在改變占空比時 CPU 才 可以 進行干預(yù)。本次設(shè)計的電路中，在電源進線處也安置了一 個電解電容 )50,47(6 VFC ? ，這主要是起到濾除輸入信號的雜波，降低電源對芯片的干擾等作用。故本 系統(tǒng)使用增量型的 PID 算法，控制器的輸出是控制量每一步的增量 ??km? 。 每次 PID 計算結(jié)束后將本次測試結(jié)果相應(yīng)的值移入相應(yīng)的寄存器中 。 其主要思路是 ， 先設(shè)定好速度初始值 ， 這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值 ， 并比較兩者的差別 ， 然后做 PID 控制運算 ， 算出觸發(fā)移相角，輸出控制系數(shù)給 PWM 發(fā)生電路改變波形的占空比 ， 進而控制電機的轉(zhuǎn)速。 2)接地線盡量加粗。 從 PWM 控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多種型號，如 TI 公司的 TL494 芯片，東芝公司的 ZSK313I 芯片等。 A B 端接一個過零比較器 ，其 輸出即為 PWM 波 ， 其占空比 是 通過 0P 口給定的數(shù)值來改變的。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是 PWM 波形。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個 具體模擬信號的電平進行編碼。 圖 43 脈沖 電路輸出 圖 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波 ， 正弦半波 N 等分 ， 看成 N 個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化 ， 如圖 44 所示 。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波 [9]。 圖 310 數(shù)碼管顯示電路 選取單片機的 8 位 I/O 作為數(shù)碼管的 “ 段控制 ” 口，連接到數(shù)碼管的 A～ H 這 8個段控制腳；再用 4 位 I/O 作為數(shù)碼管的 “ 位控制 ” 口，連接到驅(qū)動芯片 ULN2021A的 DIG1～ DIG4，即可實現(xiàn)數(shù)碼管顯示控制。 基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 18 圖 38 D/A轉(zhuǎn)換 與單片機接口 電路 轉(zhuǎn)速測量電路 轉(zhuǎn)速測量采用一組鼠標(biāo)用的紅外對管實現(xiàn)。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠 。 ADC0809 的 IN0 和變送器輸出端相連，故 IN0 上輸入的 0V～ +5V 范 圍的模擬電壓經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后可由 8051 通過程序從 P0 口輸入到它的內(nèi)部 RAM 單元。R 的直線來 代替。 圖 33 直流電機原理圖 直流電動機的定子通常有 勵磁繞阻，當(dāng)勵磁繞阻通以直流電流時產(chǎn)生磁場。感應(yīng)電動勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心 ，大拇 指指向?qū)w運動方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的方向 ） 。 圖 211 P3口的結(jié)構(gòu)圖 基于單片機的直流電機調(diào)速 系統(tǒng)的 設(shè)計 13 第 三 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè) 計 總體 方案設(shè)計 本文采用 51 單片機為控制核心，配以 44 鍵盤和 4 位數(shù)碼管顯示 ， 通過 D/A 轉(zhuǎn)換電路對驅(qū)動電路進行電壓采集和速度采集 ， 并實現(xiàn)過壓保護和速度顯示。當(dāng)系統(tǒng)有擴展片外存儲器或擴展具有數(shù)據(jù) /地址線的芯片時，P2 口作為地址高 8 位信號線，此時 P2 口只能作為地址線使用，而不能作其它使用。 P0 口 （ ～ ） 是三態(tài)雙向 I/O 口，可作為通用 I/O 口使用，也可以作為系統(tǒng)擴展時的低 8 位地址 /8 位數(shù)據(jù)總線使用。地址信號是由 CPU 發(fā)出 的，故地址總線是單方向的。當(dāng) EA 接低電平時，所有的取指操作均對片外程序存儲器進行 。片內(nèi) RAM 的 20H～ 2FH 地址單元為位尋址區(qū)，其中每個字節(jié)的每一位都規(guī)定了位地址。其中有一些控制信號線能簡化應(yīng)用系統(tǒng)外圍控制邏輯，如控制地址鎖存的地址鎖存信號 ALE，控制片外程序存儲器運行的片內(nèi)外存儲器選擇信號 EA，以及片外取指信號PSEN。單片機指令系統(tǒng)中的布爾指令集、存儲器中的位地址空間與 CPU 中的位 操作構(gòu)成了片內(nèi)的布爾功能系統(tǒng)，它可對位（ bit）變量進行布爾處理，如置位、清零、求補、測試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”、“或”等操作。中央處理器主要由運算部 件和控制部件組成。 時鐘周期：振蕩源信號經(jīng)二分頻后形成的時鐘脈沖信號，為振蕩周期的 2 倍。 （ 7）中斷控制系統(tǒng) ； （ 8）內(nèi)部時鐘電路。 8051 單片機的 特點及 基本組成 單片機以其卓越的性能，得到了廣泛的應(yīng)用，已深入到了各個領(lǐng)域。 Vss：接地端。 第三階段（ 1982—1990）： 8 位單片機的鞏固發(fā)展及 16 位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。單片機經(jīng)過 3 代的發(fā)展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，它們的 CPU 功能在增強，內(nèi)部資源在增多，引角的多功能化，以及低電壓底功耗。其中方型封裝的 CHMOS 芯片有 44 只引腳，但其中 4 只引腳，即 標(biāo)有 NC 的引腳 1 2 34 是不使用的。文中采用了專門的芯片組成了 PWM 信號的發(fā)生系統(tǒng)，通過 運算 放大 器 來驅(qū)動電機。 脈寬調(diào)制本質(zhì)上是一種電壓調(diào)速 ， 它結(jié)合其他元件改變電機電樞在一定周期內(nèi)的導(dǎo)通時間 ， 調(diào)節(jié)電機兩端的平 均電壓 ， 達到調(diào)節(jié)電機速度的目的 。因此 ,電動機速度控制器采用以單片機為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)是電氣傳動發(fā)展的主要方向之一。 PID algorithm 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................ I Abstract......................................................................................................................................II 第一章 緒論 ....................................................................