【正文】 的目的在于利用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖，采用數(shù)字 PID算法調(diào)節(jié) PWM的占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。另外 ， 此電路中 LED可以換成 LCD以便可以用鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)更多功能。對(duì)于學(xué)校和老師為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)所提供的極大幫助和關(guān)心，在此我致以衷心的感謝！ 在 **度過(guò)的四年是我學(xué)生生涯中最有價(jià)值的一段時(shí)光，也將會(huì)成為我以后永遠(yuǎn)的美好的回憶。 首先，我要特別感謝 ***老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間 *老師指導(dǎo)我、幫助我收集文獻(xiàn)資料，理清設(shè)計(jì)思路，完善操作方法，并對(duì)我所做的設(shè)計(jì)提出有效的改進(jìn)方案。 展望 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了許多書(shū)本上無(wú)法學(xué)到的知識(shí) ,也使我深刻體會(huì)到單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。倘若此時(shí)按方向按鈕，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖 67 所 示，此時(shí)， Q6 一端固定為低電平， Q5 一端為變化的 PWM 信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 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 28 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 63 Proteus 元器件選取界面 本設(shè)計(jì)所需選用的元器件如下： ① AT89S52:單片機(jī)（ Proteus元件庫(kù)里無(wú) AT89S52，可以用 AT89C52替代） ② RES、 RX RESPACK8:電阻、排阻、上拉電阻 ③ CRYSTAL:晶振 ④ CAP、 CAPELEC:電容、電解電容 ⑤ 780 7812:5V、 12V三端穩(wěn)壓塊 ⑥ IN4007：二極管 ⑦ 7SEGMPX4CA： LED液晶顯示器 ⑧ IPULSE：脈沖信號(hào)檢測(cè)器 ⑨ BUTTON：按鍵 ⑩ MOTORENCODER：直流電機(jī) 放置元器件、放置電源和地、連線，得到附錄Ⅱ所示的系統(tǒng)整體電路，最后進(jìn)行電氣檢測(cè)。 ISIS直譯為智能原理圖輸入系統(tǒng)。 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 23 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 52 程序流程圖 先通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定期望速度，再通過(guò) PID算法對(duì) PWM輸出的占空比進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度時(shí)，保持占空比的輸出。其中 7段發(fā)光二極管構(gòu)成 7筆的字形 “8”,1 根發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。 LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。 通過(guò)設(shè)置讓定時(shí)器 T0每 50ms產(chǎn)生一次中斷，滿 20 次即為 1s ，此時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù) 器 T1的計(jì)數(shù)值，就可以算出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速： V==(TH1*256+TL1) (r/min)。 本文采用市場(chǎng)上應(yīng)用較多的霍爾開(kāi)關(guān)傳感器 3010T ，它采用三端平塑封裝，具有工作電壓范圍寬、外圍電路簡(jiǎn)單、輸出電平與各種數(shù)字電路兼容、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。其電路如圖 53所示，利用兩個(gè)光電耦 合器將單片機(jī)的 I/O與驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離，保證電路安全可靠。正轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“三” ，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速；反轉(zhuǎn)時(shí)最高位顯示“ F”，其它三位為電機(jī)轉(zhuǎn)速。 根據(jù)上面兩種方案的論述，由于本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件連接不是很復(fù)雜，對(duì)軟件的運(yùn)行速度要求不高，所以采用方案二獨(dú)立式鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 方案三：采用 12864LCD 液晶顯示器，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)方法和硬件連接電路較上面兩種方案復(fù)雜，顯示屏幕大、可對(duì)漢字和字符進(jìn)行顯示。 方案三：采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。設(shè)計(jì)者不需要對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)考慮很多，可將重點(diǎn)放在算法實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)中，大大 的提高了工作效率。它 和 AT89S2一樣都具有軟件編程靈活、體積小、成本低 ,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是它的頻率較低、運(yùn)算速度慢， RAM、ROM空間小等缺點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)法是靠工作人員的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)工藝的熟悉程度，參考測(cè)量值跟蹤與設(shè)定值曲線，來(lái)調(diào)整 P、 I、 D三者參數(shù)的大小的 。 增 量式算法是位置算法的一種改進(jìn)。由于本文只用到數(shù)字 PID，所以只介紹數(shù)字 PID算法 。 PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從 AT89S52到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此， PWM又被稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖 （ b）所示。 VM系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可 逆運(yùn)行造成困難。 （ 3）直流斬波器 （ 脈寬調(diào)制變換器 ） 。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。 由公式（ 21）可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷 B1和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過(guò)換向器和電刷與外電路接通。本文就是利用這種控制方式來(lái)改變電壓的占空比實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度的控制。早期直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。隨著科技的發(fā)展， PWM調(diào)速成為電機(jī)調(diào)速的新方式，并憑借它的開(kāi)關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)調(diào)速中被普遍運(yùn)用。 關(guān)鍵詞 ： 直流電機(jī)；調(diào)速；單片機(jī)；霍爾傳感器； PWM； PID ABSTRACT Speed is an important physical quantity in the running DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed has a very large value in use in practical work on the motor speed control. DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key ponent circuits of electronic products. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through 3independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realizes the measurement data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control. KEY WORDS: Dc motor。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 論文題目： 傳輸設(shè)備速度控制器的設(shè)計(jì) 摘 要 轉(zhuǎn)速是直流電機(jī)運(yùn)行中的一個(gè)重要物理量，如何準(zhǔn)確、快速測(cè)量出電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速在實(shí)際工作中具有非常大的使用價(jià)值。 Speed regulation。利用單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行直接的控制具有準(zhǔn)確的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。創(chuàng)造了許多新的電樞電壓控制方法。隨著單片機(jī)技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來(lái)完成，為直流電動(dòng)機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達(dá)到更高的性能。 本文介紹了直流電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型、脈寬調(diào)制（ PWM）控制原理，根據(jù)模型，利用 PROTEUS軟件對(duì)各個(gè)子電路及整體電路進(jìn)行了仿真， 確保設(shè)計(jì)的電路能夠滿足性能指標(biāo)要求，并給出了仿真結(jié)果。 圖 21 直流電機(jī)的物理模型圖 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖 22所示。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。 圖 24 直流斬波器原理電路及輸出電壓波型 （ a）原理圖 （ b）電壓波型 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱 PWM變換器。 如圖 22所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響 降到最小。 數(shù)字 PID 算法 模擬 PID控制器的基本算式為： 01 ( )( ) [ ( ) ( ) ]tpDId e tu t K e t e t d t TT d t? ? ?? （ 23） 式中， pK 為比例系數(shù)， IT 為積分時(shí)間常數(shù)， DT 為微分時(shí)間常數(shù)。由式（ 27）可以得到（ k1）次的 PID輸出表達(dá)式： 101( 1 ) { ( 1 ) ( ) [ ( 1 ) ( 2 ) ] }k DP iI TTu k K e k e i e k e k uTT??? ? ? ? ? ? ? ? ?? （ 211） 由式（ 27）與式（ 211）可得 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? [ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]P I DK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 212） 數(shù)字 PID 參數(shù)整定方法 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩種。 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 10 頁(yè) 共 43 頁(yè) 圖 26 增量式 PID 框圖 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 11 頁(yè) 共 43 頁(yè) 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 調(diào)速系統(tǒng)的硬件原理方 框圖如圖 31所示，本系統(tǒng)由 6個(gè)部分組成，單片機(jī)系統(tǒng)是核心，其外圍電路有五個(gè)部分：輸入電路，電源，驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路，測(cè)速電路。若采用 89C51需要做 RAM， ROM來(lái)擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。 基于上述理論分析和實(shí)際情況，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用方案二。該方案的實(shí)現(xiàn)原理是將測(cè)速發(fā)電機(jī)固定在直流電機(jī)的軸上，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)的軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此測(cè)速發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生大小隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因此精度比較高，但由于該方案的安裝比較復(fù)雜、成本也比較高，在本次設(shè)計(jì)沒(méi)有采用此方案。 根據(jù)本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求以及成本考慮，顯示模塊選用方案一。 電源模塊設(shè)計(jì)方案 電源是任何系統(tǒng)能否運(yùn)行的能量來(lái)源，任何一種電力系統(tǒng)電源模塊都是不可或缺的，對(duì)于該模塊考慮下兩種方案： 方案一：通過(guò)電阻分壓的形式將