【正文】 ncy, the small pulsation position of the main circuit, running at low speed performance and other advantages.Keywords: microcontroller PWM DC motor GTR長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）目 錄第 1 章 概 述 .................................................... 1 問題的引出 ................................................. 1 直流電動機控制的發(fā)展史 ..................................... 1 PWM 數(shù)字直流調(diào)速的特點 ..................................... 3 PWM 直流調(diào)速的特點 .................................... 3 電動機微機控制的特點 ................................. 3 本設(shè)計的主要內(nèi)容 ........................................... 4 第 2 章 方案的設(shè)計及論證 .......................................... 5 控制方案的選擇 ............................................. 5 控制器及元器件的選擇與設(shè)計 ................................. 6 控制器的選擇 ......................................... 6 晶體管的選擇 ......................................... 7 電動機的選擇 ......................................... 7 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 ..................................... 8 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 ..................................... 8 電動機轉(zhuǎn)速的檢測 ..................................... 8 電流檢測 ............................................ 11 顯示電路 ............................................ 11 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 ..................................... 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ............................................. 13 控制單元電路設(shè)計 .......................................... 13 AT89C51 單片機的概述 ................................. 13 時鐘電路設(shè)計 ........................................ 16 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 復(fù)位電路設(shè)計 ........................................ 17 主電路的設(shè)計 .............................................. 19 驅(qū)動電路的設(shè)計 ............................................ 21 測速電路 .................................................. 22 鍵盤顯示電路 .............................................. 22 電流檢測電路 .............................................. 23 A/D 轉(zhuǎn)換電路 .............................................. 24 報警電路 .................................................. 25 直流電源電路的設(shè)計 ........................................ 26 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ............................................. 28 系統(tǒng)設(shè)計思想 .............................................. 28 編程語言的選擇 ............................................ 30 PID 算法的單片機程序的實現(xiàn) ................................ 32 數(shù)據(jù)采集及處理子程序設(shè)計 .................................. 35 數(shù)據(jù)采集子程序 ...................................... 35 數(shù)字濾波子程序 ...................................... 36 總 結(jié) ........................................................... 37 致 謝 ........................................................... 38 參考文獻 ......................................................... 39 附錄 1：H 型 PWM 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計原理圖 ........................ 40 附錄 2：H 型 PWM 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計程序清單 ...................... 41 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 1 章 概 述 問題的引出數(shù)字直流調(diào)速裝置，它不僅能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，而且同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟 件版本對不同類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它能夠和 PLC 等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，具有操作簡便、抗干擾能力強等特點。另外數(shù)字控制系統(tǒng)具有查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單等優(yōu)勢，使其具備了極其廣闊的應(yīng)用前景。自從 20 世紀(jì) 60 年代我國初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（pulse width modulation,簡稱 PWM）方向發(fā)展，但我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置都依靠進口，但由于進口設(shè)備價格昂貴，因此研究數(shù)字直流調(diào)速裝置成為了一件迫切而又極具意義的事情。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價格低廉。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高，特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。第四，1957 年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。第五，從 20 世紀(jì) 80 年代中后期起，以大功率晶體管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。微機的應(yīng)用使直流電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。 PWM 數(shù)字直流調(diào)速的特點 PWM 直流調(diào)速的特點自從全控型電力電子器件問世，就產(chǎn)生了以脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，從而形成了脈寬調(diào)制變換器直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（或者直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)） 。在微機控制系統(tǒng)中，通常是既有模擬信號，也有數(shù)字信號；既有連續(xù)信號，也有離散信號。電動機微機控制的主要特點：，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化；；一臺微機可以起多個控制器的作用，為多個控制回路服務(wù)；長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）也可控制多個電動機，完成較多的功能；，系統(tǒng)的控制方式由軟件決定，若要改變控制規(guī)律，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制規(guī)律編出新的程序即可；且可在運行中隨時根據(jù)不同的電動機工作狀態(tài)，選擇最有利的系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略等；使系統(tǒng)具有很強的靈活性和適應(yīng)性；，精度高。 本設(shè)計的主要內(nèi)容交流電通過單相橋式整流電路轉(zhuǎn)換為電壓恒定的直流電源，再經(jīng)過直流 PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，給直流電動機供電。通過按鍵確定設(shè)定值，與測量值進行比較判斷。當(dāng)檢測值小于等于設(shè)定值時，通過改變 PWM 值調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)均采用閉環(huán)，由軟件控制，其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)，內(nèi)環(huán)的采樣周期小于外環(huán)的采樣周期。通過軟件控制大功率晶體管 GTR 的導(dǎo)通及關(guān)斷，從而實現(xiàn)單極式、雙極式、受限單極式三種控制方式之間的自動切換。自動控制是相對人工控制概念而言的。自動控制系統(tǒng)按照控制裝置與被控對象之間的作用，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。具有以下特點：1. 輸出不影響輸入，對輸出不需要測量，通常容易實現(xiàn)；2. 組成系統(tǒng)的元、部件精度高，系統(tǒng)的準(zhǔn)確度才能高；3. 系統(tǒng)的穩(wěn)定性不是主要問題；開環(huán)系統(tǒng)存在的問題：1. 要求元、部件的精度要高；2. 當(dāng)存在變化規(guī)律無法預(yù)測的干擾時，系統(tǒng)不容易實現(xiàn)；閉環(huán)控制系統(tǒng)是指指控制裝置與被控對象之間既有正向作用又有方向聯(lián)系的控制過程。如圖 21 所示。主要特點如下：（1）具有較高的性價比；（2）體積小，可靠性高；（3）控制功能強；（4）使用方便，容易產(chǎn)品化；（IPC）：用于工業(yè)控制的計算機，用于工業(yè)過程測量、控制、數(shù)據(jù)采集等工作。 晶體管的選擇晶體管選擇的主要原則及注意事項：1．在工作過程中，為防止晶體管損壞，必須使它工作在安全區(qū)，因此：（1）當(dāng)需要工作電平高時，應(yīng)選 大的高反壓管，尤其要注意 b、e 間的ceoV反向電壓不要超過 。（3）在需要輸出大電流時，應(yīng)選 大的管子。3．由于硅管反向電流小，允許晶體管的溫度高。4．同型號的晶體管中反向電流越小，一般性能較好，在選用晶體管時可做參考；而 β 值則一般選幾十至一百左右，當(dāng) β 太大時，晶體管性能不穩(wěn)定。 電動機的選擇本設(shè)計要求的電動機的主要技術(shù)指標(biāo)：功率 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）電壓 220V電流 轉(zhuǎn)速 1500r/min調(diào)速范圍 D≥1000 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時，首先應(yīng)該考慮把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差在負載抗擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，由于在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。因此，本設(shè)計中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該采用 PI 調(diào)節(jié)器。不論是直流調(diào)速系統(tǒng)還是交流調(diào)速系統(tǒng),只有轉(zhuǎn)速的高精度檢測,才能得到高精度的控制系統(tǒng)。電動機轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法很多,以下是常用的幾種方法。1．測速指標(biāo)（1）分辨率 　每改變一個數(shù)字脈沖所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量,以 表示,定義為分辨率。 值愈小,說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化愈靈敏,即測速分辨率愈高。mn//21??（2）測速精度　測速精度用測速誤差的相對值的百分?jǐn)?shù)表示,記以 。用光電碼盤測速總會有 1 個脈沖所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速誤差。%ξ（3）檢測時間　連續(xù)兩次采樣轉(zhuǎn)速的間隔時間, 以表示。0T02．電動機轉(zhuǎn)速的數(shù)字檢測方法(1) M/T 法　M/T 測速法的基本原理是:檢測周期時間由兩部分組成 ,其中 為設(shè)定的固Ts0定不變時間。設(shè)旋TΔ0轉(zhuǎn)編碼每轉(zhuǎn)發(fā)出 個脈沖，在檢測周期時間 內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)是 ,在Z0T