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基于单片机的直流电机转速控制系统设计
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单片机直流电机调速系统设计分析
2013年12期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　【摘要】本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，通过单片机来实现电机调整又有多种途径，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 中国论文网 /8/view-4846610.htm　　【关键词】单片机直流电机；调速系统；PWM 　　1. 总体设计概述 　　（1）单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM是通过控制固定电压的电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。 　　（2）本系统以8051单片机为核心，通过单片机控制对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。 　　2. 系统总体设计框图 　　本系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路和A/D转换电路交数据重新送回单片机，进行PI运算，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的（见图1）。 　　3. PWM的基本原理 　　PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。 在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2所示。 　　4. PWM信号发生电路设计 　　（1）PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用芯片来实现。当PWM波的频率太高时，它对直流电机驱动的功率管要求太高，而当它的频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，当PWM波的频率在18KHz左右时，效果最好（PWM信号发生电路图见图3）。 　　（2）在本系统内，采用了两片4位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。两片数值比较器4585，即图上U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2-Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。 　　（3）12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2-Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（A>B）输出端为高电平。随着计数值的增加，Q2-Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（A>B）输出端又变为低电平，这样就在U2的（A>B）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255 -X / 255）×100%，那么只要改变X的数值，就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。 　　（4）使用这个方法时，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电路生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常工作。由于单片机上电复位时P1端口输出全为“1”，使用数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。 　　图5系统总休电路图 　　5. PWM发生电路数据比较器的工作原理 　　具有数据比较功能的芯片有74LS38等8位数值比较器，4位数值比较器4585等。本PWM发生电路通过两片4位数值比较器4585就可实现PWM信号的产生，因此选用4585作为信号发生电路（芯片4585的引脚图见图4）。 　　6. 系统总体电路图 　　直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速（系统总体电路图见图5）。 　　7. 主程序设计（软件部分） 　　（1）主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图6所示。 　　（8）软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。 　　8. 结论 　　本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片微机8051为核心的，通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
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毕业设计论文开题报告信电系工自专业03级1班课题名称全数字化双闭环可逆直流PWM调速系统的研究毕业设计论文起止时间日～6月7日共13周学生姓名指导教师报告日期1．本课题所涉及的问题在国内外的研究现状综述当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统.为了提高性能,在先进的数控交流伺服系统中,已采用高速数字化处理芯片DIGITALSIGNALPROCESSOR,简称DSP,其指令执行速度达到每秒数百兆以上,且具有适合于矩阵运算的指令.目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。电机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一.从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平功率元件采用可控硅控制板采用表面安装技术控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。2．设计论文要解决的问题和拟采用的研究方法1要了解电气传动技术发展现状和微机控制电机的发展和现状。2要掌握单闭环控制直流脉宽调速系统原理。3微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理的设计。4调速系统的硬件设计。5调速系统的软件设计。3．本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路1分析系统工作原理和提高调速性能的方法，研究IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术在微机控制方面，讨论数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理。2采用89C52微机为核心，分别采用、8279、ADC等芯片与一些外围电路，实时测试与调节电动机的转速与电流。3设计控制软件程序，以实现数字调节器和数字转速调节器的算法，以及抗干扰技术的处理。4．完成本课题所必须的工作条件如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等及解决的办法本课题需要计算机进行编辑，所用软件有CAD，Protel,Office2003等。同时从学校图书馆及网上查寻到的资料也对本设计有着重要的帮助。所参考的书籍有1绉伯敏.自动控制理论.北京机械工业出版利，20022李先允.自动控制系统.北京高等教育出版社，20033陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京机械工业出版利，20004莫正康.电力电子应用技术.北京机械工业出版利，20015余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术.西安西安电子科技大学出版利，20006吴金戊，沈庆阳，郭庭古等.8051单片机实践与应用.北京清华大学出版利，20027高鹏，安涛，寇怀诚等.Protel99入门与提高.北京人民邮电出版利，20048王晓明.电动机的单片机控制.第一版.北京北京航空航人大学出版社，20029廖晓钟.电力电子技术与电气传动.北京北京理工大学出版社，2000等。5．设计论文完成进度计划第01周至第02周查阅中文及英文资料（并翻译一篇外文资料），收集和设计相关的资料03周至第03周查阅相关资料，完成毕业设计（论文）开题报告，并开始进行毕业设计第04周至第06周完成整个设计方案第07周至第11周完成硬件模块的设计第12周至第15周完成软件模块的设计第16周至第16周整理相关资料，完成毕业设计（论文）和图纸打印第17周至第17周答辩。6．指导教师审阅意见指导教师签字年月日7．教研室主任意见教研室主任签字系签章年月日说明1.本报告必须由承担毕业设计论文课题任务的学生在接到毕业设计论文任务书、正式开始做毕业设计论文的第2周或第3周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。2.每个毕业设计论文课题撰写本报告一份，作为指导教师、教研室主任审查学生能否承担该毕业设计论文课题任务的依据，并接受学校的抽查。
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淘豆网网友近日为您收集整理了关于PWM单闭环带电流截止比例积分直流电机调速系统设计论文的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：....摘要三十多年来,直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时,控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步,应用相当普遍,尤其是全数字直流系统的出现,更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以,今后一个阶段在调速要求较高的场合,如轧钢厂、海上钻井平台等,直流调速仍然处于主要地位。当今,自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展,而直流调速控制作为电气传动在主流在现代化生产中起着主要作用。由于直流电动机的调速性能好,启动,制动和过载转矩大,便于控制等特点,因而成为大容器,高性能生产机械的理想电动机。尽管近年来,交流电动机的控制系统不断普及,但直流电动机在一定场合得到广泛应用。本课题着重介绍PWM单闭环比例积分直流调速系统以及其MATLAB仿真分析。关键词;PWM比例积分调速MATLAB....1.单闭环直流调速系统简介1.1.控制要求在现代化工业生产中,生产机械都不停地运动着,几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样,对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量,增加产量,提高生产效率,越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制,并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。(1)调速——在一定的最高转速和最低转速范围内,分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速;(2)稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动,以确保产品质量;(3)加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,以提高生产率;不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起,制动尽量平稳。1.2直流电动机的调速方案由电机学基本理论可知,直流电动机转速特性方程式为:naeUIRK???(1.1)由上式可见,直流电动机调速方案可有以下三种。(1)改变电枢回路总电阻R,总电阻R越大,特性线斜率越大,机械特性越软。若负载转矩LT对应所需的电枢电流为aLI,则负载大小不变时总电阻越大,转速越低。由于电阻耗能大,机械特性软,调速范围窄,不能实现无级平滑调速,只用于一些要求不高的场合。(2)减弱电机励磁磁通?,普通电动机在额定磁通下运行,铁芯已接近饱和,不能再增加磁通而只能减小。?减小,0n增大,特性线斜率也增大。弱磁调速虽然能实现平滑调速,但其调速范围太小,特性较软,因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。(3)改变电动机端电压调速时,额定励磁保持不变,理想空载转速0n随U减小而减小,各特性线斜率不变,由此可实现额定转速以下大范围平滑调速,并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况:一是采用可控硅变流装置,将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器,将交流电通过整流提供直流电源,实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟,....采用全控电力晶体管IGBT、MOSFET等全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制(PWM)型的调速系统近年来已发展成熟,用途越来越广。第一个指标为调速范围D,它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比。maxminDnn?(1.2)另一个指标为静差率s,它是电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速0n之比。000s100%nmnnn???(1.3)它表示负载变化引起调速系统的转速偏离原定转速的程度。系统的调速特性越硬,s越小,说明系统的稳定性能越好。另外,转速越低,静差率越大,故调速系统静差率指标以最低转速对应的数值为准。在考虑生产机械对转速相对性(即静差率)的要求后,电动机最低转速受到了限制,也即调速范围受到限制。采用降压调速时,调速范围、静差率及转速降三者关系为:(1)nomopopnsDns???(1.4)1.3开环系统机械特性和闭环系统静特性图1.3闭环调速系统的给定作用和扰动作用在这里为了分析简单,不单独讨论开环系统,由简单闭环系统引出开环系的特性。如图1.3的转速闭环调速系统,如果把闭环系统的反馈回路断开,成了开环系统,则上述系统的开环机械特性为....0d0ndopopeUIRnnC?????(1.5)而闭环时的静特性可写成*d0n(1)psnclcleKKUIRnnCK??????(1.6)其中opn0—开环系统的理想空载转速;cl0n—闭环系统的理想空载转速;opn?—开环系统的稳态速降;cln?—闭环系统的稳态速降;espCKKK??。闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下,两者的转速降分别为deopRInC??(1.7)(1)dcleRInCK???(1.8)它们的关系是d1clRInK???(1.9)显然,K当值较大时,cln?比opn0小得多,即闭环系统的特性要硬得多。如果比较同一0n的开环和闭环系统,则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为clclclnns0??和0opopopnsn??(1.10)当开环和闭环系统的稳态速降相等时op1clssK??(1.11)当要求的静差率一定时,闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最....高转速都是nomn而对最低速静差率的要求相同,则开环时(1)nomopopnsDns???(1.12)闭环时)1(snsnDclnomcl???(1.13)要取得上述优越性,只要闭环系统设置放大器即可。总之,闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性,从而保证在一定静差率的要求下,能够提高调速范围。在闭环系统中降低速降的实质是:在开环系统中,当负载电流增大时电枢压降也增大,转速就降下来了;闭环系统有反馈装置,转速稍有降落,反馈电压就感觉出来了,通过比较和放大,提高脉宽调制的输出电压dU,使系统工作在新的机械特性上,因而转速有所回升,速度降落降低。可逆PWM变换器2.1PWM控制技术的基本原理采样理论中的一个重要理论:冲量相等而形状不同的窄脉冲家在具有惯性环节上时,其效果基本相同。这个原理成为面积原理,它是PWM控制[5]的重要理论基础。若将半个周期的正弦波分成N等份,就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等为N?,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平的,各脉冲幅值按正弦规律变化。若将上述脉冲换成同等数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲代替,是矩形脉冲和相应的正弦脉冲的面积相等,这就是PWM形。可以看出,其幅值相等,而宽度按正弦规律变化,PWM系统的优点为(1)主电路线路简单,需用的功率器件少;(2)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;(3)动态响应相对较快,动态抗扰能力强;(4)功率开关器件工作在开关状1播放器加载中，请稍候...
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