【正文】 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(guó)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?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。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(jiǎn)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(chǎng) 合的需要。 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　⒖s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?jī)?nèi)容。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 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 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 .............. V 摘 要 ................................................. V ABSTRACT ........................................... VI 1 緒論 ................................................ 1 ......................... 1 ................................. 2 .................................. 3 ................................. 4 2 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 .................................. 6 3 硬件部分 ............................................. 7 ： .................................. 7 ........................................ 8 芯片 IR2110 性 能及特點(diǎn) .................................. 8 IR2110 的引腳圖以及功能 ................................ 9 元器件的選擇比較、選型 ............................... 10 H橋雙極性主電路 ................................ 11 ........................................ 13 光電編碼器 ............................................... 13 M/T 法測(cè)速原理 ........................................... 15 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 IV 鍵盤及顯示電路 .................................. 16 鍵盤 /顯示芯片 8279 簡(jiǎn)介 ................................ 16 顯示器設(shè)計(jì) ............................................ 17 ........................................ 18 4 系統(tǒng)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 /顯示模塊設(shè)計(jì) ................................. 23 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 Matlab 仿真 ................................ 31 結(jié)束語(yǔ) ............................................... 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(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。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。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，改變了世界，也改變了人類的生活。當(dāng)線圈中流過電流時(shí)，線圈受 到電磁力作用，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來(lái)改變平均電壓的大小 ，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 下式是占空比計(jì)算公式： 式中 t1 表示一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)管導(dǎo) 通的時(shí)間， T 表示一個(gè)周期的時(shí)間。 1). ( 2 1TtD ?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 6 單片機(jī)控制器 驅(qū)動(dòng)電路 直流電機(jī) 光電編碼器 r 被控量 y 給定 量 + 速度反饋 PWM 矩形波 前 2 種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起振蕩，因此應(yīng)用較少。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器； 1000 次擦寫周期；全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 32 個(gè)可編程 I/O 口線；三個(gè)16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器；八個(gè)中斷源；全雙工 UART 串行通道；低功耗空閑和掉電模式；掉電后中斷可喚醒；看門狗定時(shí)器；雙數(shù)據(jù)指針；掉電標(biāo)識(shí)符。 驅(qū)動(dòng)電路 功率放大驅(qū)動(dòng)芯片有多種，其中較 常用的芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于IR2110 具有雙通道驅(qū)動(dòng)特性，且電路簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格相對(duì) EXB841 便宜，具有較高的性價(jià)比，且對(duì)于直流電機(jī)調(diào)速使用起來(lái)更加簡(jiǎn)便，因此該驅(qū)動(dòng)電路采用了IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能。 IR2110 采用 CMOS 施密特觸發(fā)輸入，兩路具有滯后欠壓鎖定。（ 5）與 MOSFET 一樣， IGBT 具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅(qū)動(dòng)功率低，開關(guān)速度高。我們可以采取雙 PWM信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。 因此電樞上的工 作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機(jī)械慣性的緣故，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速是由矩形脈沖電壓的平均值來(lái)決定的。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 34 橋式可逆 PWM 變換器電路 雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 8 所示。當(dāng)封 鎖 P W M 輸 出分 析 ， 判 斷 故障 原 因顯 示 故 障等 待 系 統(tǒng) 復(fù) 位時(shí)， ? 為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， 0?? ，電動(dòng)機(jī)停止。 檢測(cè)回路 檢測(cè)回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理 。這里以三相編碼器為例來(lái)介紹增量式編碼器的工作原理及其結(jié)構(gòu)。 編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向可以通過 D觸發(fā)器的輸出信號(hào) Q來(lái)判斷。為了在單片機(jī)控制直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 15 較寬的速度范圍內(nèi)獲得高精度和快速的數(shù)字測(cè)速，本設(shè)計(jì)使用每轉(zhuǎn) 1024線的光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，它產(chǎn)生的測(cè)速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對(duì)該頻率信號(hào)采用 M/T法測(cè)速處理。 的二路脈沖經(jīng)異或門二倍頻再送入 m1 的計(jì)數(shù)器。采用該芯片 ,可以大大簡(jiǎn)化單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) ,并且減輕 CPU 的負(fù)擔(dān)。 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 17 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 取消 確認(rèn) 測(cè)速 停車 圖 38 顯示器圖 輸入給定轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問題：（ 1）轉(zhuǎn)速不足四位時(shí)，在前面加撥 0 湊夠四位；（ 2）轉(zhuǎn)速輸入錯(cuò)誤時(shí)，按取消鍵，顯示器清空，重新輸入值；（ 3）轉(zhuǎn)速輸入完成后，按確認(rèn)鍵。 用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少 ,電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路。因此，首先必須明確定時(shí)器的定時(shí)初值與定時(shí)時(shí)間的關(guān)系。 void init() { TMOD=0x01。 num++。 中斷 程序設(shè)計(jì) 外部中斷 0模塊設(shè)計(jì) 外部中斷 0 是故障中斷，優(yōu)先級(jí)最高。 T0 定時(shí) 50ms，單片機(jī)的時(shí)鐘頻率為 12MHz，機(jī)器周期為 1us， 中斷子程序模塊 中斷服務(wù)子程序完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)的功能，如故障保護(hù)、 PWM生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字 PID調(diào)節(jié)等 ,中斷服務(wù)子程序由相應(yīng)的中斷源提出申請(qǐng)， CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 數(shù)字 PID 控制器流程圖 數(shù)字 PID 控 制算法可以分為位置式 PID 和增量式 PID 控制算法。 1．直流電機(jī)的傳遞函數(shù) 額定勵(lì)磁下他勵(lì)直流電機(jī)的等效電路如圖 52所示： 圖 52 直流電動(dòng)機(jī)等效電路 規(guī)定正方向如圖所示。 選取電動(dòng)機(jī)各參數(shù)分別為 Ra=， La=， Ka=， Kb=， f=，Ja=J