pwm脈寬調(diào)制系統(tǒng)設計研究

1、<p><b>　　青島農(nóng)業(yè)大學</b></p><p>　　畢 業(yè) 論 文（設計）</p><p>　　題 目： PWM脈寬調(diào)制系統(tǒng)設計研究 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 院：

2、 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　班 級： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： <

3、;/p><p>　　2014 年 6 月18日</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）誠信聲明</p><p>　　本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標注，論文中的結論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。與我一

4、同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。</p><p>　　論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日</p><p>　　畢業(yè)論文（設計）版權使用授權書</p><p>　　本畢業(yè)論文（設計）作者同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文（設計）的復印件和電子版，允許論文（設計

5、）被查閱和借閱。本人授權青島農(nóng)業(yè)大學可以將本畢業(yè)論文（設計）全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設計）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設計）或與該論文（設計）直接相關的學術論文或成果時，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學。</p><p>　　論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日</p><

6、;p>　　指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1.緒論1&

7、lt;/b></p><p>　　1.1研究的目的及意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.3本論文研究主要內(nèi)容3</p><p>　　2.PWM脈寬調(diào)速原理5</p><p>　　2.1直流電機調(diào)速原理5</p><p><b

8、>　　2.2本章小結6</b></p><p>　　3.硬件模塊設計7</p><p>　　3.1STC89C52RC單片機特性及管腳說明7</p><p>　　3.2供電電源部分8</p><p>　　3.3電動機驅(qū)動模塊9</p><p>　　3.4PWM信號的產(chǎn)生11</p&g

9、t;<p>　　3.5本章小結12</p><p>　　4.上位機與控制器通訊接口設計13</p><p>　　4.1虛擬儀器技術及LabVIEW13</p><p>　　4.2PID算法14</p><p>　　4.3LabVIEW編程15</p><p>　　4.4測量風速、控制風速顯示圖形

10、18</p><p>　　4.5本章小結19</p><p>　　5.總結與展望20</p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p><b>　　致謝22</b></p><p><b>　　附錄23</b></p&g

11、t;<p>　　PWM脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)研究</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　直流電機是最早發(fā)明并得到廣泛應用的電機中的一種。在各種類型的電機中，直流電機因具有良好的啟動性能、制動性能和調(diào)速性能而在航天、工業(yè)、數(shù)字化控制等領域中得到了廣泛應用。PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速技術是直流電機中最常用的一種調(diào)速技術，具有調(diào)速精度高、響應速度

12、快、范圍廣和平滑調(diào)速以及節(jié)約電能的優(yōu)點，因此是直流電機的主流調(diào)速技術之一。</p><p>　　論文主要研究PWM脈寬調(diào)制控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于LabVIEW控制單片機發(fā)生PWM信號并輸出給驅(qū)動模塊來實現(xiàn)直流電機的調(diào)速系統(tǒng)。其中研究了PWM的工作原理和實現(xiàn)方法，以及如何利用單片機改變PWM信號占空比來實現(xiàn)直流電機調(diào)速。另外，還研究了控制器與上位機的通訊接口，實現(xiàn)上位機LabVIEW軟件與控制器之間數(shù)據(jù)的傳輸。在本

13、次設計中完成了LabVIEW軟件控制單片機實現(xiàn)PWM直流電機調(diào)速，建立起了LabVIEW測量與控制的直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，獲得了較為可靠的實驗成果。</p><p>　　關鍵字：單片機；直流脈寬；LabVIEW；測速；控制轉(zhuǎn)速</p><p>　　PWM DC Motor Speed Regulating Controll System</p><p><b&

14、gt;　　Abstract</b></p><p>　　DC motor is the first invention and has been widely applied in one. In all types of motors, DC motors have a good start because of the performance, braking performance and sp

15、eed performance and has been widely used in the aerospace, industrial, digital control and other areas. PWM (pulse width modulation) DC motor speed control technology is the most commonly used control technology, with hi

16、gh-speed precision, fast response, wide and smooth speed and energy saving advantages, the mainstream DC m</p><p>　　Thesis, the PWM pulse width modulation control system, which is based on the LabVIEW Contro

17、l microcontroller PWM signal and output occur to the drive module to achieve DC motor speed control system. Which studied the PWM working principle and method, and how to use the microcontroller to change the PWM signal

18、duty cycle to achieve DC motor speed. Also, study the controller and host computer communication interface, transfer between PC LabVIEW software and controller data. In this design to compl</p><p>　　Keywords

19、：microcontroller; DC PWM; LabVIEW; gun; controlling speed</p><p><b>　　1.緒論</b></p><p>　　1.1研究的目的及意義</p><p>　　近年來，在電氣傳動的領域中，因為直流電機脈寬調(diào)速系統(tǒng)具有結構簡單、低速性能好、快速響應性能好、效率高、諧波少、電網(wǎng)功率因

20、數(shù)高等特點而被廣泛的應用在日常生產(chǎn)生活中，而其相應的控制系統(tǒng)在很長一段時間以來一直都采用51系列的單片機或復雜的電子線路的控制形式，存在成本高、可靠性差、速度慢、抗干擾能力差等缺點；隨著現(xiàn)代電力電子技術的不斷快速迅猛發(fā)展，從而帶動單片機實現(xiàn)的功能也在不斷的提高，基于51單片機控制的直流電機脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)直流脈寬調(diào)制控制的智能化，并且具有成本低、抗干擾能力強、通用性強、工作可靠等特點。</p><p>

21、;　　PWM直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，它不僅具有電路結構簡單、所用元器件少、耐用、能大范圍調(diào)速的特點，而且能靈活控制、能與數(shù)字信號兼容通信還具有多樣化的控制途徑。因其具有這些特點而在工業(yè)領域得到了廣泛的運用，并且大大的促進了工業(yè)化的發(fā)展進步，因此學習研究PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)對我們以后的生活工作具有非常重要的意義。</p><p>　　該研究課題利用LabVIEW測速并控制51單片機產(chǎn)生PWM信號來實現(xiàn)對

22、直流電機的調(diào)速控制，通過本次設計可以進一步加深我們對過去所學理論知識的進一步理解及應用，同時對我們以后的工作學習及科學研究能力的培養(yǎng)起到不可缺少的作用。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　近些年，各種各樣的新技術得到了快速迅猛的發(fā)展，如微型計算機、電氣自動化、電子等，智能化、數(shù)字化、光電化、大規(guī)模集成等這些新型的技術被直流電機調(diào)速系統(tǒng)快速應用，這些技術

23、使得直流電機調(diào)速朝著高響應速度、高穩(wěn)定性、高精度、低耗能、低成本方向快速前進。</p><p>　　下面簡單的介紹直流電機調(diào)速的幾種具體的方法：其一，早期的直流電機都是由直流電壓來直接供電，通常都是通過電機的內(nèi)阻來改變直流電機的電壓降來達到直流電機調(diào)速的目的。這一種調(diào)速系統(tǒng)容易操作、電路連接簡單，并且容易研發(fā)制造。但是這種調(diào)速方法只能大體粗略的控制電機速度，它的調(diào)速精確度并不高；其二，發(fā)電機——電動機調(diào)速，該系統(tǒng)

24、由電機擴大器、閘流管、電磁放大器等器件構成，這種調(diào)速方法的調(diào)速性能比較好，彌補了初期調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速不平滑不穩(wěn)定以及調(diào)速精度低下的缺點，為直流電機調(diào)速系統(tǒng)的重大跨越式進步做出了貢獻。但是由于這個系統(tǒng)中包含的電子元器件、電力設備和連接線路比較龐大復雜，從而造成系統(tǒng)本身的成本較高，系統(tǒng)本身龐大繁雜的缺點。其三，由于第一只晶閘管研發(fā)成功并被廣泛應用到直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，直流電機調(diào)速技術就取得了重大突破性的進展。這種調(diào)速系統(tǒng)較其他幾種相比之下調(diào)速精

25、度更高，成本更低，系統(tǒng)體積更小，所以在較長一段時間以來作為重要的調(diào)速方式。其四，利用汞漿變流器建立調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速響應速度快，調(diào)速精度高的優(yōu)點，從而更進一步提高了系統(tǒng)的調(diào)速性能。但是這種調(diào)速方式也有較大的弊端，因為這個系統(tǒng)是通過汞</p><p>　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　伴隨著各種處理器的出現(xiàn)和快速發(fā)展，國外一些國家對直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的研究也在不

26、斷的發(fā)展和完善，尤其在20世紀80年代這方面的技術研究取得了重大進步，達到了空前的繁榮。大型直流電動機調(diào)速系統(tǒng)大多數(shù)都采用晶閘管觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)，科學研究人員對控制算法也作了大量的研究并研究出許多方法，如I-P控制器取代PI的調(diào)節(jié)器方法、模糊PID算法和自適應PID算法還有內(nèi)?？刂频乃惴ǖ?。</p><p>　　目前，一些國外電氣公司如德國的西門子、日本的三菱、AEG、東芝、美國的GE、瑞典的ABB、西屋等，均已經(jīng)

27、開發(fā)出了數(shù)字裝置，有成熟的標準化、系列化、模塊化的應用產(chǎn)品可供選擇使用。</p><p>　　1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國與西方國家相比盡管起步較晚,我國第一只晶閘管成功以后就被迅速應用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中起到了較大的作用，產(chǎn)生較好的作用，這使得我國在直流電機調(diào)速領取得了較大的進步。近些年來，我國快速的投入到了PWM調(diào)速技術領域，PWM調(diào)速技術的研發(fā)以及制造取得了較快

28、發(fā)展，例如我國的一些高大專院校、科研單位、研究所還有一些相關工業(yè)企業(yè)都在積極研發(fā)基于PWM技術的調(diào)速裝置。</p><p>　　1.2.3 存在的技術挑戰(zhàn)</p><p>　　PWM調(diào)速技術自從出現(xiàn)以來，快速地被應用于直流電機的調(diào)速領域當中。并且在其成本、性能方面還有操作方面突出了很大的優(yōu)勢，因而被得到了廣泛的應用。</p><p>　　主要有異步電機、同步電機兩種

29、電機。我們將在下面簡單地介紹這兩種電機的不用調(diào)速方式以及這幾種調(diào)速方式的優(yōu)缺點，從而使我們對PWM調(diào)速技術的理解更加深刻。</p><p>　　首先介紹同步電機的調(diào)速方式：調(diào)頻和調(diào)極。這兩種調(diào)速方式都不是很好因為其有較大的弊端：調(diào)頻調(diào)速的方式只能進行小范圍的調(diào)速而不能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的調(diào)速，這就使得電機工作電壓范圍受到很大的局限，不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對不同功率的設備提供動力的技術要求。另外，調(diào)極調(diào)速方式很難甚至不

30、能實現(xiàn)平滑調(diào)速，調(diào)速的穩(wěn)定性較差；</p><p>　　異步電機調(diào)速方式主要有兩種即交流變頻調(diào)速和變極調(diào)速。交流變頻調(diào)速是利用晶閘管對三相電壓進行變流并輸出與正弦波形類似的電壓，使得電機獲得與正弦波類似的變化的電壓，從而達到調(diào)速的目的。交流變頻調(diào)速能夠克服變極調(diào)速無法平滑調(diào)速的缺點，但其缺點是成本較高，設備復雜。變極調(diào)速是通過改變電機磁極對數(shù)來改變電機轉(zhuǎn)速，因而就能夠達到調(diào)速目的。變極調(diào)速的優(yōu)點是操作容易、設備簡

31、單，但是它的缺點是不能夠進行平滑穩(wěn)定調(diào)速。</p><p>　　PWM調(diào)速方式調(diào)速過程平滑、能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍調(diào)速、調(diào)速響應動作快速，克服了交流變頻調(diào)速和變極調(diào)速的缺點，隨著PWM技術的快速發(fā)展，它的應用領域在不斷地擴大。</p><p>　　1.3本論文研究主要內(nèi)容</p><p>　　本文在研究單片機控制PWM信號調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速的基礎上，完成上位機與控制器的通訊，

32、建立PWM直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，主要工作內(nèi)容如下：</p><p>　　（1）直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件模塊設計：在分析直流電機調(diào)速系統(tǒng)的目的和要求后，提出了系統(tǒng)的硬件設計方案。本系統(tǒng)主要由電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊三部分組成：其中電源模塊需要提供+5V、+12V的電源，該系統(tǒng)中的51單片機和驅(qū)動器需要+5V電源供電，直流電機需要+12V電源供電；控制模塊由51單片機來完成，單片機的主要功能是與LabVIEW串口通

33、信采集LabVIEW發(fā)出的數(shù)據(jù)、發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)并發(fā)出PWM脈沖；直流電機的驅(qū)動靠L298N實現(xiàn)。</p><p>　?。?）對虛擬儀器技術的原理作了說明，研究了LabVIEW的開發(fā)與功能優(yōu)勢，以及LabVIEW的數(shù)據(jù)類型與基本操作以及串口通信技術，對以后研究上位機與控制器的通訊接口設計打下必要的基礎。</p><p>　?。?）完成對直流電機轉(zhuǎn)速的測量與控制，實現(xiàn)控制器與上位機La

34、bVIEW軟件的通訊，建立起LabVIEW直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.PWM脈寬調(diào)速原理</p><p>　　2.1直流電機調(diào)速原理</p><p>　　PWM技術的原理是利用半導體開關的通斷情況來控制直流電壓變化，使直流電壓隨著半導體開關的通斷而變化。當半導體開關斷開時，直流電壓降為低電平狀態(tài)，當半導體開關導通時，直流電壓為高電平狀態(tài)。這通過半

35、導體的通斷把直流電壓轉(zhuǎn)化成了脈沖信號，通過調(diào)節(jié)半導體開關的導通時間與斷開時間的變化就可以改變PWM信號的脈沖寬度或頻率，從而達到改變直流電壓的平均值的目的，從而實現(xiàn)直流電機的調(diào)速目的。下面將會簡單地介紹PWM調(diào)速的原理。圖2-1為PWM直流電機調(diào)速的工作原理圖，圖2-2為PWM脈沖信號輸出的波形圖。 </p><p>　　圖2-1 PWM直流電機調(diào)速原理圖</p><p>　　圖2-2 P

36、WM脈沖信號輸出波形</p><p>　　圖2-2中的脈沖信號意思是半導體開關先導通T1秒，然后再斷開T2秒，利用單片機編程程序反復執(zhí)行這樣的命令而得到。根據(jù)這個原理可得到電機平均電壓為。若，則可定義為占空比，不變，越大，電機兩端平均電壓就越大，同樣如果越小，那么電機兩端平均電壓就越小。因此通過改變占空比就可以調(diào)節(jié)電機兩端平均電壓電壓，從而實現(xiàn)直流電機脈寬調(diào)速的目的。</p><p>　　

37、改變PWM脈沖占空比一共有三種方法：調(diào)寬、調(diào)頻、調(diào)寬調(diào)頻。調(diào)寬就是通過改變電壓為高電平的時間段T1來改變占空比，從而能夠改變電機兩端的平均電壓達到直流電機調(diào)速的目的；調(diào)頻就是通過改變電壓為低電平的時間段T2使得占空比發(fā)生變化，從而改變電機兩端的平均電壓，實現(xiàn)調(diào)速的目的；調(diào)寬調(diào)頻就是同時調(diào)節(jié)T1、T2來調(diào)節(jié)電機兩端的平均電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的。利用這種調(diào)速的方法，電動機在運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，并且更方便的實現(xiàn)PWM脈沖調(diào)節(jié)。</p&

38、gt;<p><b>　　2.2本章小結</b></p><p>　　本章研究了直流電機調(diào)速的原理即利用電力電子半導體開關器件的導通與關斷，通過改變半導體開關導通與斷開的時間將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度來改變電壓的平均值從而達到調(diào)速的目的。</p><p><b>　　3.硬件模塊設計</b></p&

39、gt;<p>　　本設計是基于51單片機產(chǎn)生PWM脈寬實現(xiàn)直流電機的調(diào)速。在這一章將對直流電機的PWM脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)各個部分進行分析設計，同時也會將各部分的硬件的連接電路呈現(xiàn)出來。本設計中用到的直流電機是液壓軸承可測速小風扇，最大轉(zhuǎn)速可達到36r/s。</p><p>　　3.1STC89C52RC單片機特性及管腳</p><p>　　STC89C52RC單片機是宏晶科技公

40、司推出的低功耗/超強抗干擾/高速的新一代單片機，它的指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇。</p><p>　　STC89C52RC單片機的工作模式：正常工作模式下典型功耗4Ma7Ma，空閑模式下典型功耗2Ma，掉電模式:下型功耗<0.1A，可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。</p><p>　　圖3-1 STC89C

41、52RC單片機引腳圖</p><p>　　STC89C52RC單片機的全部引腳如圖3-1所示。對本設計中用到的引腳進行簡單說明：VCC（40引腳）：電源電壓引腳接+5V電壓</p><p>　　VSS（20引腳）：接地引腳</p><p>　　P0口：P0口是一個漏極開路的雙向I/O口?？梢詫0口用作可驅(qū)動TTL負載的輸出口，也可用作高阻抗輸入，但是必須先對其寫入

42、1。P0口最常用的是作為輸出口，可以通過上拉電阻外接負載和電源。</p><p>　　P1口：P1端口與P0的功能及用法類似，只不過P1端口內(nèi)部含有上拉電阻。P1口用作輸入端口時，必須首先對其寫1。</p><p>　　P2口：P2口的功能及用法與P1口類似。</p><p>　　P3口：P3口的基本功能及使用同P2口，本設計中是用來產(chǎn)生PWM信號，故不再贅述其他的

43、復用功能。</p><p>　　RST（9引腳）：用作單片機的復位信號輸入端。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機的復位初始化操作。</p><p>　　ALE（30引腳）：當單片機訪問外部程序存儲區(qū)時，該引腳輸出脈沖信號對存儲區(qū)地址的低8位進行鎖存。 </p><p>　　PSEN（29腳）：當單片機STCRC89C52RC從讀取外部程序寄存器

44、的程序并執(zhí)行程序時需要將該引腳設為低電平使能狀態(tài)。</p><p>　　/VPP(31引腳)：該引腳控制單片機訪問程序區(qū)的選擇，當對外程序區(qū)進行訪問時需將該引腳拉低。如果只對內(nèi)部程序存儲區(qū)進行訪問，那么應將該引腳置高為1。 </p><p>　　XTAL1（19引腳）：該引腳是單片機時鐘振蕩器即晶振的輸入端口。</p><p>　　XTAL2（18引腳）：單片機時鐘

45、振蕩器的反相輸入端，與XTAL1一起與晶振連接作為單片機的時鐘脈沖輸入。</p><p><b>　　3.2供電電源部分</b></p><p>　　本設計直流電機脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)中的邏輯控制電路元模塊需要+5V供電，該系統(tǒng)中驅(qū)動直流電機中的驅(qū)動模塊L298N需要用到+12V直流電壓供電。因此需要在該系統(tǒng)設計中將一個220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為+5V和+12V兩種直流電壓

46、，電源模塊實物圖如圖3-2-1所示。本電源為全隔離型工業(yè)級內(nèi)置電源模塊，具有溫度保護、過流保護及短路全保護功能，AC85265V寬電壓輸入，高低壓隔離，DC12V1A\5V1A雙電壓隔離輸出，431穩(wěn)壓，輸出帶EMI濾波電路，帶指示燈和安裝孔。圖3-2為220V轉(zhuǎn)換成12V/5V雙輸出電源。</p><p>　　圖3-2 220V轉(zhuǎn)換12V/5V雙輸出電源</p><p>　　3.3電動機

47、驅(qū)動模塊</p><p>　　3.3.1L298NN電機驅(qū)動模塊：</p><p>　　L298NN（如圖3-3所示）是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝，他的主要特點是其工作電壓較高可達到46V，并且其輸出電流較大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；它的額定功率為25W。</p><p>　　圖3-3 L298NN電機驅(qū)動模

48、塊</p><p>　　3.3.2L298NN引腳及功能：</p><p>　　因為單片機輸出的PWM信號的電壓值很小，不能夠使直流電機工作起來，因此要借助驅(qū)動芯片L298N來放大PWM信號的電壓值來驅(qū)動直流電機工作。本設計中的L298N模塊其OUT1與OUT2引腳是電壓輸出端，用來驅(qū)動負載，因此OUT1與OUT2引腳與直流電機連接。 L298NN引腳連接電路圖如圖3-4所示：</p

49、><p>　　表1 L298NN引腳說明</p><p>　　Tab1 L298NN Pin Description</p><p>　　3.4PWM信號的產(chǎn)生</p><p>　　PWM信號是利用單片機STC89C52RC編程實現(xiàn)的，單片機STC89C52RC的P3.0引腳作為PWM信號的輸出端。本次設計中用到的PWM調(diào)速方式是定頻調(diào)寬的方法，

50、即PWM脈沖信號的周期是固定不變的，通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的寬度即電壓為高電平狀態(tài)的時間來改變PWM脈沖信號的占空比（在一個周期中，電壓值為高電平狀態(tài)的時間占一個周期的百分比），從而改變電機電樞兩端的平均電壓值，從而達到直流電機調(diào)速的目的。</p><p>　　在程序設計中，PWM脈沖信號的具體實現(xiàn)方法如下：</p><p>　　先對PWM脈沖設定一個固定的周期值num，在本設計中為num=1

51、000，然后設定了一個初始狀態(tài)值tmp，在本設計中設定的狀態(tài)初始值為0。然后對單片機STC89C52RC的定時器T0進行設置，將定時器T0的初始值設為64536（65536-1000），TH0、TL0分別裝載初始值的高字節(jié)、低字節(jié)，即高字節(jié)TH0=（65536-1000）/256，低字節(jié)TL0=(65536-1000)%256。通過設置后，定時器T0裝載的初值為64536，T0從64536開始計數(shù)，每一個機器周期計一個數(shù)（本設計中的時鐘

52、頻率為12MHZ，故一個機器周期為12個時鐘周期，即1微秒），當T0計數(shù)到65536時會發(fā)生定時器溢出中斷，此時T0已經(jīng)計數(shù)了1000次，故溢出一次的計數(shù)時間T=1微妙*1000=1s。同時在T0的中斷函數(shù)中設置溢出中斷發(fā)生一次，t（t的初值為0，是對T0溢出中斷次數(shù)的記錄值，每發(fā)生一次溢出中斷即對t進行加1操作）的值加1。</p><p>　　然后，對t值進行判斷（假設沒有對獨立德爾控制按鍵進行操作，即沒有進行

53、加速或減速，num值不變），當t值小于num 時，單片機P3.0輸出高電平，P3.0與L298N的ENA引腳相連，故ENA為高電平，L298N使能，PWM脈沖信號為高電平；當t值大于num的值時，P3.0輸出低電平，ENA變?yōu)榈碗娖?，L298N被禁止，無電壓輸出，此時PWM脈沖信號為低電平。如此反復，形成的PWM信號即為電壓脈沖信號。</p><p><b>　　3.5本章小結</b><

54、;/p><p>　　在本章，對PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)各部分進行了分析設計，同時將各部分的硬件連接電路電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊呈現(xiàn)了出來。首先，簡單介紹了STC89C52RC芯片，并對扥設計中用到的引腳進行了說明。然后對供電電源模塊進行了簡單研究，還對電機驅(qū)動模塊L298NN進行了引腳及功能的研究。最后，對PWM信號的如何產(chǎn)生進行了研究。</p><p>　　4.上位機與控制器通訊接口設計&

55、lt;/p><p>　　4.1虛擬儀器技術及LabVIEW</p><p><b>　　4.1.1虛擬儀器</b></p><p>　　虛擬儀器（virtual instrumention）總的來說是基于微型計算機的一種軟件儀器，是計算機技術和儀器體系的緊密聯(lián)合的結晶，是當今測量儀器發(fā)展的一個主流趨向。大體上說這種結合有兩種方式，一種是把儀器作為核

56、心，將系統(tǒng)軟件系統(tǒng)裝到儀器里，比如說嵌入式系統(tǒng)儀器、智能儀器等。另一種的核心部分是計算機，將儀器的功能裝到計算機里，用微型計算機實現(xiàn)不同儀器的各部分的作用。</p><p>　　“軟件就是儀器”是虛擬儀器的一個比較重要的觀點和口號。虛擬儀器具備布局簡略、本錢低廉、一機多用、測量精度高、用戶可自行開發(fā)軟件等特色，便利與計算機通訊結合來成立計算機網(wǎng)絡，組合成立龐大的測試體系。</p><p>

57、　　充分利用虛擬儀器組建成立的測控系統(tǒng)把測量的精度和速度都挺高了很多，同時減少了電纜和開關等器件，方便了系統(tǒng)的擴充和修改，從而使虛擬儀器體積小、靈活方便、本錢低廉、效率高，成為了現(xiàn)代測試控制系統(tǒng)的發(fā)展的趨向。</p><p>　　4.1.2LabVIEW</p><p>　　LabVIEW 隨意的一個程序基本上都會有一或多個虛擬儀器（VI）組成，被稱為虛擬儀器是由于它們的外表跟操作通常是比

58、較形象的模擬了現(xiàn)實的物理儀器。隨意的一個 VI 都是三個主要部分：前面板、框圖和圖標。</p><p>　　虛擬儀器是分層次和模塊化的程序，可作為上層程序或者是子程序。使用這種系統(tǒng)結構，LabVIEW 深化了模塊化編寫程序的概念。第一步是把一個應用程序分解成為一些簡單的子程序。接下來逐漸地建立起 VI 完善每一個子程序。最后就是在一個上層框圖中把這些 VI 連起來，這樣一個更大的程序就隨即完成了。模塊化編程可以理

59、解為疊加過程，每一個子 VI 都可以單獨執(zhí)行，這樣的好處就是當我們調(diào)試的時候會比較方便。除此之外，一部分低層子 VI 所執(zhí)行的任務一些應用程序也會用到，當然這些也會在應用程序中都能夠單獨地使用。</p><p><b>　　4.2PID算法</b></p><p>　　按偏差的比例、積分、微分進行控制的控制器稱為PID控制器。模擬PID控制器的原理框圖如圖4-1所示，

60、其中r(t)為系統(tǒng)給定量，c(t)為實際輸出，u(t)為控制量。PID控制解決了自動控制理論所要解決的最基本的問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性。</p><p>　　圖4-1模擬PID控制器原理框圖</p><p>　　如圖4-1所示的模擬PID控制器的控制表達式為：</p><p>　　，式中e(t)為系統(tǒng)偏差，;為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。&

61、lt;/p><p>　　PID參數(shù)整定方法主要有兩種即理論計算整定法和工程整定方法。該實驗中采用的是工程整定方法，即用試湊法來確定PID的參數(shù)。下面將簡單介紹一下PID各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)P越大則系統(tǒng)的響應速度越快，在有靜差的情況下，比例系數(shù)越大越，越有利于減小靜差，但是如果比例系數(shù)過大會使系統(tǒng)的超調(diào)越大，并可能產(chǎn)生振蕩，是系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差；積分系數(shù)I越大越有利于減小系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，

62、但是消除系統(tǒng)靜差的時間將會增長；微分系數(shù)D越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)超調(diào)量越小，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。 </p><p>　　調(diào)整參數(shù)的步驟如下：首先要整定比例部分。將比例參數(shù)由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直至得到反應快、超調(diào)小的響應曲線。假如系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到一定范圍內(nèi)，并且對響應曲線已經(jīng)滿足，則只需要比例調(diào)節(jié)器即可。 </p><p>　　假

63、如在比例調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能滿足設計要求，則必須加進積分環(huán)節(jié)。在整定時先將積分時間設定到一個比較大的值，然后將已經(jīng)調(diào)節(jié)好的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分時間，使得系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)系統(tǒng)的響應曲線的好壞反復改變比例系數(shù)和積分時間，以期得到滿足的控制過程和整定參數(shù)。 </p><p>　　假如在上述調(diào)整過程中對系統(tǒng)的動態(tài)過程反復調(diào)整還不能得到滿足的結果，則可以加進微

64、分環(huán)節(jié)。首先把微分時間D設置為0，在上述基礎上逐漸增加微分時間，同時相應的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直至得到滿足的調(diào)節(jié)效果。</p><p>　　4.3LabVIEW編程</p><p>　　4.3.1LabVIEW編程成果</p><p>　　測速與控制轉(zhuǎn)速程序框圖如圖4-2所示。該程序可以實現(xiàn)對直流電機即風扇的速度的測量與對直流電機速度的控制。</

65、p><p>　　圖4-2 測速與控制轉(zhuǎn)速程序圖</p><p>　　4.3.2寫、讀、顯示順序結構</p><p>　　設計一個平鋪式順序結構程序一是輸入單片機一個轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，最大轉(zhuǎn)速是36r/s，輸入轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)范圍0-36r/s。再次強調(diào)必須注意轉(zhuǎn)速數(shù)用三位數(shù)表示，平鋪式順序結構程序一即寫入單片機轉(zhuǎn)速的程序如圖4-3所示。順序結構中用了一個條件結構，當程序運行無錯誤時執(zhí)

66、行。</p><p>　　圖4-3 平鋪式順序結構程序一</p><p>　　平鋪式順序結構程序二如圖4-4所示，作用是讀出單片機中的直流電機的實際轉(zhuǎn)速數(shù),同樣其中嵌套一個條件結構，當程序運行無錯誤時繼續(xù)進行。</p><p>　　圖4-4 平鋪式順序結構程序二 </p><p>　　平鋪式順序結構層序三是將讀出的直流電機的實際轉(zhuǎn)速顯

67、示出來，如圖4-5所示。讀取的實際數(shù)據(jù)是以波形圖標和量表兩種形式顯示出來的。</p><p>　　圖4-5 平鋪式順序結構程序三</p><p><b>　　4.3.3循環(huán)結構</b></p><p>　　此程序設計中用到For循環(huán)結構，F(xiàn)or循環(huán)結構將其框圖內(nèi)的VI執(zhí)行指定的循環(huán)次數(shù)，如圖4-6中，循環(huán)次數(shù)由左上角的循環(huán)總數(shù)決定即為4次。即

68、For循環(huán)框圖中包含的順序結構將循環(huán)執(zhí)行四次。</p><p>　　圖4-6 For循環(huán)結構</p><p>　　While循環(huán)將持續(xù)執(zhí)行循環(huán)程序，如圖4-7中While循環(huán)結構，While大循環(huán)結構中包含F(xiàn)or循環(huán)框圖，這意味著將持續(xù)執(zhí)行For循環(huán)。</p><p>　　圖4-7 While循環(huán)結構</p><p>　　4.4測量風速、

69、控制風速顯示圖形</p><p>　　圖4-8為未采用PID算法時輸入轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速波形的對比圖。圖4-9為采用了PID算法時輸入轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速波形的對比圖。由圖4-8和圖4-9對比可知，采用了PID算法提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實驗結果更加可靠。</p><p>　　圖4-8 未采用PID算法的波形對比圖</p><p>　　圖4-9 采用PID算法的波形對比圖&l

70、t;/p><p>　　圖4-10為最終實驗數(shù)據(jù)采集圖形，如下圖所示當輸入轉(zhuǎn)速為20r/s時，實際轉(zhuǎn)速與設定轉(zhuǎn)速的波形對比圖。由圖可以看出，該轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)工作可靠。</p><p>　　圖4-10 實際轉(zhuǎn)速與設定轉(zhuǎn)速波形對比圖</p><p><b>　　4.5本章小結</b></p><p>　　本章內(nèi)容實現(xiàn)了對直流電機轉(zhuǎn)

71、速的測量與控制，實現(xiàn)了控制器與上位機LabVIEW軟件的通訊，建立起了LabVIEW直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　5.總結與展望</b></p><p>　　現(xiàn)代社會，直流電機為工業(yè)自動化設備提供主要動力，如礦井設備、數(shù)控設備、機床設備、工業(yè)機器人等這些設備應用的動力系統(tǒng)基本都是直流電機，因此直流電機在現(xiàn)代工業(yè)領域中有非常廣泛的應用。因PWM調(diào)速

72、技術具有響應速度快、調(diào)速精度高、調(diào)速平滑等特點，從而直流電機的PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速技術是直流電機最常用的一種調(diào)速技術。。本文主要介紹基于單片機控制的PWM直流電機調(diào)速裝置，并通過LabVIEW軟件實現(xiàn)控制器與上位機的通訊接口設計，建立LabVIEW直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。主要介紹了以下的內(nèi)容：</p><p>　?。?）利用L298N驅(qū)動芯片以及單片機實現(xiàn)對直流電機啟動、正反轉(zhuǎn)、加減速的控制。本設計系統(tǒng)主要包括三

73、大模塊：驅(qū)動模塊L298N、51單片機控制模塊以及電源模塊。</p><p>　?。?）硬件模塊設計圍繞三大方面去做即：電源模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊。電源模塊需要提供+5V、+12V的電源，51單片機和驅(qū)動器需要+5V電源供電，直流電機需要+12V電源供電；控制模塊需要兩片51單片機，其中單片機一的功能是與LabVIEW串口通信采集LabVIEW發(fā)出的數(shù)據(jù)并向單片機二發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，單片機二功能是接收單片機一發(fā)送來

74、的數(shù)據(jù)并發(fā)出PWM脈沖；直流電機的驅(qū)動靠L298NN實現(xiàn)。</p><p>　　（3）對虛擬儀器技術的原理作了說明，簡單介紹了LabVIEW的開發(fā)與功能優(yōu)勢，以及LabVIEW的數(shù)據(jù)類型與基本操作以及串口通信技術，對以后研究上位機與控制器的通訊接口設計打下必要的基礎。</p><p>　?。?）實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的測量與控制，實現(xiàn)控制器與上位機LabVIEW軟件的通訊，建立起LabVIEW

75、直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。</p><p>　　雖然對直流電機轉(zhuǎn)速的測量與控制能夠取得不錯的效果，但是仍有一些問題需要完善，比如LabVIEW軟件中對直流電機的測速顯示波形還不夠精確不夠平穩(wěn)，對直流電機的速度控制不夠精確。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 龍脈工作室,豈興明，等.LabVIEW8.2中文版

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80、編程語言LabWindows/CVI教程[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2000</p><p>　　[15]劉君華，賈惠芹，虛擬儀器圖形化編程語言Labview教程[M]，西安：西安電子科技大學出版社，2001 </p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　轉(zhuǎn)眼間，大學四年的時光就要過去了，在這寶貴的四年的時間里，我學到了很多

81、，不僅學到了科學文化知識，還學會了感激與感恩。我的母校青島農(nóng)業(yè)大學培養(yǎng)了我，在這里收獲了很多很多，無論以后我走向何方，無論我成長到什么時候，我都忘不了我的母校，它都會一直留在我心里的最深處我將終身銘記。</p><p>　　我的設計題目為PWM脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)研究，本設計是在老師的親切關懷和細心指導下完成的。老師不僅指導我們有關畢業(yè)設計的相關知識，還給我們講了許多做人道理。老師的幫助是我畢業(yè)設計順利完成不可缺少的

82、，謝謝您給我的指導，您的嚴格要求是督促我認真完成工作的保障，您對工作的一絲不茍是我人生中的一筆財富。謝謝老師，您給我的不只是知識，最重要的是做人做事的道理，我將牢記在心。我還要感謝我們同一個論文小組的同學們，正是你們的幫助和支持，才幫助我克服一個個難關，一直到本文的順利完成。從論文選題到搜集材料，到寫稿，已經(jīng)論文的修正，都得到了他們的大力相助。</p><p>　　我的畢業(yè)設計即將全面完成了，在這個關鍵的時刻，我