【正文】 .............................................................................................................. 16 主程序流程圖 ................................................................................................................... 16 定時(shí)器中斷程序流程圖 ................................................................................................... 16 獨(dú)立式鍵盤控制流程圖 ................................................................................................... 17 系統(tǒng)仿真調(diào)試 ................................................................................................................... 19 仿真結(jié)果分析 ........................................................................................................... 20 本章小結(jié) ........................................................................................................................... 22 結(jié) 論 .......................................................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................... 24 附 錄 .......................................................................................................................................... 25 致 謝 .......................................................................................................................................... 34 黑龍 江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 基于 PWM 控制的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論 開(kāi)發(fā)背景 當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用，無(wú)論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天航空、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備、還是在日常生活中的家用電器都 大量使用著各式各樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，其中許多系統(tǒng)有調(diào)速的要求 ： 如車輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械等等。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成一個(gè)有機(jī)整體。 三十多年來(lái)，直流電機(jī)傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的變革。同 時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展 ， 走向成熟化、完善化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難以替代 [2]。本文對(duì)基于 PIC單片機(jī)的直流電機(jī) PWM 調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā) ， 逐步建立了單閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)模型。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富 ， 運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。該方案以驅(qū)動(dòng)芯片與一些外圍電路。 黑龍 江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 國(guó)內(nèi)外 研究趨勢(shì) 直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下幾種 ：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但缺點(diǎn)是效率低、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速 時(shí)，可以通過(guò)發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jī)— 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn) :維修還是不太方便，特別 是水銀蒸汽對(duì)維護(hù)人員會(huì)造成一定的危害等。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。在快速響應(yīng)性上，機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管變流裝置為毫秒 級(jí) [5]。 PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展， 到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù) [6]。從控制的角度來(lái)看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。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。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)功能的不斷提高以及電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)領(lǐng)域出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。 技術(shù)要求 及 工作內(nèi)容 本系統(tǒng)主要是利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 脈沖通過(guò)驅(qū)動(dòng) 電路進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，鍵盤操縱電機(jī)進(jìn)行停、轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。 系統(tǒng)可以劃分為主控電路（單片機(jī) STC89C52）、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（采用 L298 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路）、液晶顯示按鍵功能電路（ LCD1602）、電源電路、測(cè)速電路等模塊，采用 PWM 基本原理，以硬件電路為基礎(chǔ)，以 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，只要通過(guò)軟件編程，單片機(jī)根據(jù)程序進(jìn)行控制，調(diào)節(jié) PWM信號(hào)占空比，進(jìn)一步控制了 L298 驅(qū)動(dòng)電路的 PWM 輸入信號(hào)，從而控制了直流電機(jī)的電壓，改變電機(jī)電壓的大小就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，改變電機(jī)電壓的方向就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這樣就可以實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本功能，可以通過(guò)LCD 顯示出 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給 L298 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送 PWM 波形，測(cè)速系統(tǒng)把反饋數(shù)據(jù)給單片 機(jī)，完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)和急?？刂?；同時(shí)單片機(jī)不停的將測(cè)得轉(zhuǎn)速送到 LCD 完成實(shí)時(shí)顯示 [7]。 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 PWM 調(diào)速原理 PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi) 關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通 ”和 “斷開(kāi) ”時(shí)間的長(zhǎng)短。也正因?yàn)槿绱耍?PWM 又被稱為 “ 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ”。由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的 [8]。 PWM 調(diào)速方法 采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方法。 PWM 控制流程圖 在本設(shè)計(jì)中 PWM 脈沖調(diào)制的控制流程見(jiàn)圖 23。 命令輸入模塊主要是由 STC89C52 為核心產(chǎn)生 PWM 波形，改變輸出電壓從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 獨(dú)立鍵盤模塊是控制電機(jī)停、轉(zhuǎn)、正反轉(zhuǎn)、加速、減速。 LCD 顯示模塊時(shí)把測(cè)速模塊得來(lái)的數(shù)據(jù)在 LCD 顯示屏上顯示出來(lái)。 PWM 的工作原理和調(diào)速方法， PWM 是 通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” 來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的 ，本系統(tǒng)主要是 由 命令輸入模塊 、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 、獨(dú)立鍵盤模塊、 測(cè)速系統(tǒng)模塊 、 LCD 顯示模塊 幾部分組成 。 單片機(jī)控制模塊 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制模塊圖 31。驅(qū)動(dòng)芯片的輸入電壓是兩引腳的電壓差，在調(diào)速時(shí)一根引腳線為低電平，另一個(gè)引腳產(chǎn)生調(diào)速方波，這樣兩個(gè)引腳的電壓差就可通過(guò)控制其中一個(gè)引腳來(lái)控制。 定時(shí)計(jì)數(shù)器 10us 中斷一次，就使 產(chǎn)生一個(gè)高 電平或低電平。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比 。當(dāng)我們改變黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 占空比時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 STC89C52 的簡(jiǎn)介 在常用的 89 系列的單片機(jī)中， 51 系列只有 4K 字節(jié)的在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器， 128字節(jié) RAM。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash， 它 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器， 操作方便，引腳也充足，而且 STC89C52， 支持 ISP 串口下載 ， 使得 STC89C52 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 我們通過(guò)編寫(xiě)程序來(lái)控制單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)指定電路的控制。 2． 在數(shù)據(jù)線上加上要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)字節(jié)。 4． 在高電壓編程方式時(shí)，將 EA/Vpp 端加上 +12V 編程電壓。每個(gè)字節(jié)寫(xiě)入周期是自身定時(shí)的，通常約為 。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的是 L289 芯片?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。 （ 1） L298 內(nèi)部的原理圖 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 見(jiàn) 圖 33。 4 個(gè)三極管組成H 的 4 條垂直腿，而電機(jī)就是 H 中的橫杠。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。 圖 34 H橋驅(qū)動(dòng)電路 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 35 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 黑龍江 東方學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 圖 36 所示為另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。 圖 36 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證 H 橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒 壞三極管 [9]。 （ 3） L298 的邏輯功能 當(dāng)使能端為高電平時(shí) ， 輸入端 IN1 為 PWM 信號(hào) ， IN2 為低電平信號(hào)時(shí) ， 電機(jī)正轉(zhuǎn) ；輸入端 IN1 為低電平信號(hào)， IN2 為 PWM 信號(hào)時(shí) ， 電機(jī)反轉(zhuǎn) ； IN1 與 IN2 相同時(shí) ， 電機(jī)快速停止。 詳細(xì)邏輯見(jiàn)表 31。 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S T9P 3 . 0 / R X D10P 3 . 1 / T X D11P 3 . 2 / ! I N T 012P 3 . 3 / ! I N T 113P 3 . 4 / T 014P 3 . 5 / T 115P 3 . 6 / ! W R16P 3 . 7 / ! R D17X T A L 218X T A L 119G N D20A 8 / P 2 . 021A P / P 2 . 122A 1 0 / P 2 . 223A 1 1 / P 2 . 324A 1 2 / P 2 . 425A 1 3 / P 2 . 526A 1 4 / P 2 . 627A 1 5 / P 2 . 728! P S E N29A L E / ! P R O G30! E A / V P P31A D 7 / P 0 . 732A D 6 / P 0 . 633A D 5 / P 0 . 534A D 4 / P 0 . 4