基于單片機的直流電機調速系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、<p>　　論文題目： 基于單片機的直流電機 調速系統(tǒng)設計</p><p>　　學生姓名： </p><p>　　所在院系： 郵電與信息工程學院 </p><p>　　所學專業(yè)： 機械電子工程 </p><p>　　導師姓名：

2、 </p><p>　　完成時間： 2012-04-22 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要研究了利用MCS-51系列單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機轉速進行控制的方法。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對PWM信號的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過軟件

3、編程對PWM信號占空比進行調節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。此外，本文中還采用了芯片IR2110作為直流電機正轉調速功率放大電路的驅動模塊，并且把它與延時電路相結合完成了在主電路中對直流電機的控制。另外，本系統(tǒng)中使用了測速發(fā)電機對直流電機的轉速進行測量，經(jīng)過濾波電路后，將測量值送到A/D轉換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機進行PI運算，從而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。在軟件方面，文章中詳細介紹了PI運算程序，初始化程序等

4、的編寫思路和具體的程序實現(xiàn)。</p><p>　　關鍵詞： PWM信號，測速發(fā)電機，PI運算</p><p>　　The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based On SCM</p><p><b>　　Chenli</b></p><

5、;p>　　School of Information and Engineering </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip comp

6、uter to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circu

7、it which controls the speed of rotation of D.C. motor. What’s more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sen</p><p>　　Key words: PWM si

8、gnal，tachogenerator，PI calculation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1. 引言1</b></p><p>　　1.1開發(fā)背景1</p><p>　　1.2選題的目的和意義1</p><p>　　

9、1.3研究方法2</p><p>　　2. 總體設計概述2</p><p>　　2.1總體硬件電路設計2</p><p>　　2.1.1系統(tǒng)總體設計框圖2</p><p>　　2.1.2 8051單片機簡介3</p><p>　　2.1.3單片機系統(tǒng)中所用其他芯片選型4</p><p

10、>　　2.2PWM信號發(fā)生電路設計7</p><p>　　2.2.1 PWM的基本原理7</p><p>　　2.2.2 PWM信號發(fā)生電路設計8</p><p>　　2.2.3 PWM發(fā)生電路主要芯片的工作原理9</p><p>　　2.3功率放大驅動電路設計10</p><p>　　2.3.1芯

11、片IR2110性能及特點10</p><p>　　2.3.2 IR2110的引腳圖以及功能11</p><p>　　2.4主電路設計11</p><p>　　2.4.1 延時保護電路11</p><p>　　2.4.2 主電路11</p><p>　　2.4.3 輸出電壓波形13</p>&

12、lt;p>　　2.4.4系統(tǒng)總體電路圖14</p><p>　　2.5測速發(fā)電機15</p><p>　　2.6濾波電路15</p><p>　　2.7A/D轉換15</p><p>　　2.7.1芯片選型15</p><p>　　2.7.2 ADC0809的引腳及其功能16</p>

13、<p>　　3. 系統(tǒng)軟件部分的設計16</p><p>　　3.1PI 轉速調節(jié)器原理圖及參數(shù)計算16</p><p>　　3.2系統(tǒng)中的部分程序設計17</p><p>　　3.2.1主程序設計17</p><p>　　3.2.2 PI控制算法子程序設計18</p><p>　　4. 系

14、統(tǒng)調試19</p><p>　　4.1軟件調試19</p><p>　　4.2系統(tǒng)仿真20</p><p><b>　　結論21</b></p><p><b>　　致謝21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></

15、p><p><b>　　附錄23</b></p><p><b>　　1. 引言</b></p><p><b>　　開發(fā)背景</b></p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅動設備，目前在直流電動機拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的KZ—D拖動

16、系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機的F—D系統(tǒng)，又伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。直流電機調速基本原理是比較簡單的（相對于交流電機），只要改變電機的電壓就可以改變轉速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種PWM脈寬調制，調節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉速。</p><

17、p>　　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80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(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)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術。</p><p>

18、<b>　　選題的目的和意義</b></p><p>　　直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙

19、了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。</p><p>　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制

20、效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。</p><p>　　目前，直流電動機調速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數(shù)字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。</p><p><b>　　研究方法</b>

21、</p><p>　　本文主要研究了利用MCS-51系列單片機，通過PWM方式控制直流電機調速的方法。PWM控制技術以其控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或實現(xiàn)無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。</p><p>　　本文就是利用這種控制方式來

22、改變電壓的占空比實現(xiàn)直流電機速度的控制。文章中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，然后通過放大來驅動電機。利用直流測速發(fā)電機測得電機速度，經(jīng)過濾波電路得到直流電壓信號，把電壓信號輸入給A/D轉換芯片最后反饋給單片機，在內部進行PI運算，輸出控制量完成閉環(huán)控制，實現(xiàn)電機的調速控制。</p><p><b>　　2. 總體設計概述</b></p><p>　　單片

23、機直流電機調速簡介：單片機直流調速系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電動機的平滑調速。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。本系統(tǒng)以89C51單片機為核心

24、，通過單片機控制，C語言編程實現(xiàn)對直流電機的平滑調速。</p><p>　　系統(tǒng)控制方案的分析：本直流電機調速系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據(jù)PWM調速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速為依據(jù)，實現(xiàn)對直流電動機的平滑調速，并通過單片機控制速度的變化。本文所研究的直流電機調速系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是前提，是整個系統(tǒng)執(zhí)行的基礎，它主要為軟件提供程序運行

25、的平臺。而軟件部分，是對硬件端口所體現(xiàn)的信號，加以采集、分析、處理，最終實現(xiàn)控制器所要實現(xiàn)的各項功能，達到控制器自動對電機速度的有效控制。</p><p><b>　　總體硬件電路設計</b></p><p>　　2.1.1系統(tǒng)總體設計框圖</p><p>　　本系統(tǒng)采用89C51控制輸出數(shù)據(jù)，由PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生PWM信號，送到直流電機，

26、直流電機通過測速電路，濾波電路，和A/D轉換電路交數(shù)據(jù)重新送回單片機，進行PI運算，從而實現(xiàn)對電機速度和轉向的控制，達到直流電機調速的目的。</p><p>　　圖2-1系統(tǒng)總體設計圖</p><p>　　2.1.2 8051單片機簡介</p><p>　　1．8051單片機的基本組成</p><p>　　8051單片機由CPU和8個部件組成

27、，它們都通過片內單一總線連接，其基本結構依然是通用CPU加上外圍芯片的結構模式，但在功能單元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。其基本組成如下圖所示：</p><p>　　圖2-2 8051基本結構圖</p><p>　　2．CPU及部分部件的作用功能介紹如下</p><p>　　中央處理器CPU：它是單片機的核心，完成運算和控制功能。</p>

28、<p>　　內部數(shù)據(jù)存儲器：8051芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的只是前128個單元，其地址為00H—7FH。通常說的內部數(shù)據(jù)存儲器就是指這前128個單元，簡稱內部RAM。</p><p>　　內部程序存儲器：8051芯片內部共有4K個單元，用于存儲程序、原始數(shù)據(jù)或表格，簡稱內部ROM。</p><p>　　定時器：8051片內有2個16位的定時器，用來實現(xiàn)定

29、時或者計數(shù)功能，并且以其定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。</p><p>　　中斷控制系統(tǒng)：該芯片共有5個中斷源，即外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個和串行中斷1個。</p><p>　　3．8051單片機引腳圖</p><p>　　圖2-3 8051單片機引腳圖</p><p>　　2.1.3 單片機系統(tǒng)中所用其他芯片選型</p>

30、<p><b>　　地址鎖存器</b></p><p>　　地址鎖存器可以選擇多種，有地址鎖存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等，8282是地址鎖存器，功能與74LS373類似，但本系統(tǒng)選用74LS373作為地址鎖存器，考慮到其應用的廣泛性以及具有良好的性價比，成為目前在單片機系統(tǒng)中應該較廣泛的地址鎖存器。74LS373片內是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。&l

31、t;/p><p>　　當使能端呈高電平時，鎖存器中的內容可以更新，而在返回低電平的瞬間實現(xiàn)鎖存。如果此時芯片的輸出控制端為低，也即是輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可以通過三態(tài)門輸出。其引腳圖如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 74L373引腳圖</p><p><b>　　2．程序存儲器</b></p><p&

32、gt;　　存儲器是單片機的又一個重要組成部分，其中程序存儲器是單片機中非常重要的存儲器，但由于其存儲空間不足，常常需要對單片機的存儲器空間進行擴展，擴展程序存儲器常用芯片有EPROM（紫外線可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外還有＋5V電擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等?？紤]到系統(tǒng)功能的可擴展性以及程序功能的擴展，本

33、系統(tǒng)采用16KB的27128作為程序存儲器擴展芯片，在滿足系統(tǒng)要求的前提下還存有一定的擴展空間，是本系統(tǒng)最合適的程序存儲器擴展芯片。27128的引腳圖如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 27128結構圖</p><p><b>　　3．數(shù)據(jù)存儲器</b></p><p>　　8051單片機有128B RAM，當數(shù)據(jù)量超過128B也需

34、要把數(shù)據(jù)存儲區(qū)進一步擴展。常用RAM芯片分靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)RAM有6116(2KB)、6264(8KB)等，動態(tài)DRAM2164(8KB)等，另外還有集成IRAM和E2PROM。使用E2PROM作數(shù)據(jù)存儲器有斷電保護數(shù)據(jù)的優(yōu)點。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲器擴展常使用隨機存儲器芯片，用的較多的是Intel公司的6116容量為2KB和6264容量為8KB。本系統(tǒng)采用容量8KB的6264作為數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片。

35、其引腳圖如圖2-6所示：</p><p>　　2.1.4 8051單片機擴展電路及分析</p><p>　　圖2-7 8051單片機擴展電路及分析</p><p><b>　　接線分析：</b></p><p>　　P0.7---P0.0：這8個引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是8051不帶片

36、外存儲器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于傳送CPU的I/O數(shù)據(jù)。第二種情況是8051帶片外存儲器，P0.7---P0.0在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。</p><p>　　P2.7---P2.0：這組引腳的第一功能可以作為通用的I/O使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選

37、中片外存儲器單元，但是并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。</p><p>　　P3.7---P3.0：這組引腳的第一功能為傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)。它的第二功能作為控制用，每個引腳不盡相同。</p><p>　　VCC為+5V電源線，VSS為接地線。</p><p>　　ALE/：地址鎖存允許/編程線，配合P0口引腳的第二功能使用，在訪問片外存儲器時，8

38、051CPU在P0.7---P0.0引腳線上輸出片外存儲器低8位地址的同時還在ALE/線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出P0.7---P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。</p><p>　　/VPP：允許訪問片外存儲器/編程電源線，可以控制8051使用片內ROM還是片外ROM。如果=1，那么允許使用片內ROM；如果=0，那么允許使用片

39、外ROM。</p><p>　　XTAL1和XTAL2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接8051片內OSC的定時反饋電路。石英晶振起振后，應能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便于8051片內的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩，電容C1、C2可以幫助起振，調節(jié)它們可以達到微調fOSC的目的。</p><p>　　PWM信號發(fā)生電路設計<

40、;/p><p>　　2.2.1 PWM的基本原理</p><p>　　PWM（脈沖寬度調制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，比如：電機調速、溫度控制、壓力控制等等。</p><p>　　在PWM驅動控制的調整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期內“接通”

41、和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉速。也正因為如此，PWM又被稱為“開關驅動裝置”。如圖2-8所示：</p><p>　　圖2-8 PWM方波</p><p>　　設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，設占空比為D= t1 / T，則電機的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機的平均速度；

42、Vmax 是指電機在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。</p><p>　　由上面的公式可見，當我們改變占空比D = t1 / T時，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格來說，平均速度Vd 與占空比D并非嚴格的線性關系，但是在一般的應用中，我們可以將其近似地看成是線性關系。</p><p>　　2.2.2 PWM信號發(fā)生電路設計</p>

43、<p>　　圖2-9PWM信號發(fā)生電路</p><p>　　PWM波可以由具有PWM輸出的單片機通過編程來得以產(chǎn)生，也可以采用PWM專用芯片來實現(xiàn)。當PWM波的頻率太高時，它對直流電機驅動的功率管要求太高，而當它的頻率太低時，其產(chǎn)生的電磁噪聲就比較大，在實際應用中，當PWM波的頻率在18KHz左右時，效果最好。在本系統(tǒng)內，采用了兩片4位數(shù)值比較器4585和一片12位串行計數(shù)器4040組成了PWM信號發(fā)

44、生電路。</p><p>　　兩片數(shù)值比較器4585，即圖上U2、U3的A組接12位串行4040計數(shù)輸出端Q2—Q9，而U2、U3的B組接到單片機的P1端口。只要改變P1端口的輸出值，那么就可以使得PWM信號的占空比發(fā)生變化，從而進行調速控制。</p><p>　　12位串行計數(shù)器4040的計數(shù)輸入端CLK接到單片機C51晶振的振蕩輸出XTAL2。計數(shù)器4040每來8個脈沖，其輸出Q2—Q

45、9加1，當計數(shù)值小于或者等于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（A>B）輸出端保持為低電平，而當計數(shù)值大于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（A>B）輸出端為高電平。隨著計數(shù)值的增加，Q2—Q9由全“1”變?yōu)槿?”時，圖中U2的（A>B）輸出端又變?yōu)榈碗娖?，這樣就在U2的（A>B）端得到了PWM的信號，它的占空比為（255 -X / 255）*100%，那么只要改變X的數(shù)值，就可以相應的改變PWM信號的占空

46、比，從而進行直流電機的轉速控制。</p><p>　　使用這個方法時，單片機只需要根據(jù)調整量輸出X的值，而PWM信號由三片通用數(shù)字電路生成，這樣可以使得軟件大大簡化，同時也有利于單片機系統(tǒng)的正常工作。由于單片機上電復位時P1端口輸出全為“1”，使用數(shù)值比較器4585的B組與P1端口相連，升速時P0端口輸出X按一定規(guī)律減少，而降速時按一定規(guī)律增大。</p><p>　　2.2.3 PWM發(fā)生

47、電路主要芯片的工作原理</p><p><b>　　1．數(shù)據(jù)比較器</b></p><p>　　具有數(shù)據(jù)比較功能的芯片有74LS6828，74LS6838等8位數(shù)值比較器，4位數(shù)值比較器4585等。本PWM發(fā)生電路通過兩片4位數(shù)值比較器4585就可實現(xiàn)PWM信號的產(chǎn)生，因此選用4585作為信號發(fā)生電路。芯片4585的引腳圖：</p><p>&

48、lt;b>　　2．串行計數(shù)器 </b></p><p>　　系統(tǒng)PWM信號發(fā)生電路中還使用到一片串行計數(shù)器，有串行計數(shù)功能的芯片有4024、4040等，它們具有相同的電路結構和邏輯功能，但4024是7位二進制串行計數(shù)器，而芯片4040是一個12位的二進制串行計數(shù)器，所有計數(shù)器位為主從觸發(fā)器，計數(shù)器在時鐘下降沿進行計數(shù)。當CR為高電平時，它對計數(shù)器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，故對脈

49、沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經(jīng)過緩沖。本系統(tǒng)使用4040作為串行計數(shù)器，芯片4040的引腳圖如圖2-11所示：</p><p>　　功率放大驅動電路設計</p><p>　　功率放大驅動芯片有多種，其中較常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有雙通道驅動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對EXB841便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調速使用起來更

50、加簡便，因此該驅動電路采用了IR2110集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅動能力和保護功能。</p><p>　　2.3.1 芯片IR2110性能及特點</p><p>　　IR2110是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術，于1990年前后開發(fā)并且投放市場的，IR2110是一種雙通道高壓、高速的功率器件柵極驅動的單片式集成驅動器。它把驅動高壓側和低壓側MO

51、SFET或IGBT所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到600V，其內設欠壓封鎖，成本低、易于調試。高壓側驅動采用外部自舉電容上電，與其他驅動電路相比，它在設計上大大減少了驅動變壓器和電容的數(shù)目，使得MOSFET和IGBT的驅動電路設計大為簡化，而且它可以實現(xiàn)對M

52、OSFET和IGBT的最優(yōu)驅動，還具有快速完整的保護功能。與此同時，IR2110的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減少體積。</p><p>　　2.3.2 IR2110的引腳圖以及功能</p><p>　　IR2110將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，是目前功率放大驅動電路中使

53、用最多的驅動芯片。其結構也比較簡單，芯片引腳圖如下所示：</p><p>　　圖2-12 IR2110引腳圖</p><p><b>　　主電路設計</b></p><p>　　2.4.1 延時保護電路</p><p>　　利用IR2110芯片的完善設計可以實現(xiàn)延時保護電路。</p><p>　　

54、IR2110使它自身可對輸入的兩個通道信號之間產(chǎn)生合適的延時，保證了加到被驅動的逆變橋中同橋臂上的兩個功率MOS器件的驅動信號之間有一互瑣時間間隔，因而防止了被驅動的逆變橋中兩個功率MOS器件同時導通而發(fā)生直流電源直通路的危險。</p><p><b>　　2.4.2 主電路</b></p><p>　　從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有

55、開關的動作，在高壓側截止期間低壓側必須導通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)、不間斷的導通的。我們可以采取雙PWM信號來控制直流電機的正轉以及它的速度。</p><p>　　將IC1的HIN端與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。</p><p>　　在HIN為高電平

56、期間，Q1、Q4導通，在直流電機上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下：</p><p>　　當IC1的LO為低電平而HO為高電平的時候，Q2截止，C1上的電壓經(jīng)過VB、IC內部電路和HO端加在Q1的柵極上，從而使得Q1導通。同理，此時IC2的HO為低電平而LO為高電平，Q3截止，C3上的電壓經(jīng)過VB、IC內部電路和HO端加在Q4的柵極上，從而使得Q4導通。</p><p>　　電源經(jīng)Q

57、1至電動機的正極經(jīng)過整個直流電機后再通過Q4到達零電位，完成整個的回路。此時直流電機正轉。</p><p>　　在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下：</p><p>　　當IC1的LO為高電平而HO為低電平的時候，Q2導通且Q1截止。此時Q2的漏極近乎于零電平，Vcc通過D1向C1充電，為Q1的又一次導通作準備。同理可

58、知，IC2的HO為高電平而LO為低電平，Q3導通且Q4截止，Q3的漏極近乎于零電平，此時Vcc通過D2向C3充電，為Q4的又一次導通作準備。</p><p>　　電源經(jīng)Q3至電動機的負極經(jīng)過整個直流電機后再通過Q2到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉。</p><p>　　因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉向和轉速是由矩形脈沖電壓的平均值

59、來決定的。</p><p>　　設PWM波的周期為T，HIN為高電平的時間為t1，這里忽略死區(qū)時間，那么LIN為高電平的時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T。設電源電壓為V，那么電樞電壓的平均值為：</p><p>　　Vout= [ t1 - ( T - t1 ) ] V / T</p><p>　　= ( 2 t1 – T ) V / T</

60、p><p>　　= ( 2D – 1 )V</p><p>　　定義負載電壓系數(shù)為λ，λ= Vout / V， 那么 λ= 2D – 1 ；當T為常數(shù)時，改變HIN為高電平的時間t1，也就改變了占空比D，從而達到了改變Vout的目的。D在0—1之間變化，因此λ在±1之間變化。如果我們聯(lián)系改變λ，那么便可以實現(xiàn)電機正向的無級調速。</p><p>　　當λ=0.

61、5時，Vout=0，此時電機的轉速為0；</p><p>　　當0.5<λ<1時，Vout為正，電機正轉；</p><p>　　當λ=1時，Vout=V，電機正轉全速運行。</p><p>　　圖2-13 系統(tǒng)主電路</p><p>　　2.4.3 輸出電壓波形</p><p>　　系統(tǒng)電路經(jīng)過單片機控制的

62、PWM信號產(chǎn)生電路送來的PWM信號，經(jīng)過功率放大電路，形成輸出電壓的波形圖如下圖如示：</p><p>　　2.4.4 系統(tǒng)總體電路圖</p><p>　　直流電機調速系統(tǒng)總體電路設計由單片機產(chǎn)生控制PWM信號發(fā)生電路產(chǎn)生PWM信號的數(shù)據(jù)，控制直流電機調速電路對電機進行調速。</p><p>　　圖2-15 系統(tǒng)總休電路圖</p><p>&

63、lt;b>　　測速發(fā)電機</b></p><p>　　測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，他把輸入的機械轉速變換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比，分為直流與交流兩種。其繞組和磁路經(jīng)過精確設計，輸出電動勢E和轉速n成線性關系，即E=kn，其中k是常數(shù)。改變旋轉方向時，輸出電動勢的極性即相應改變。</p><p>　　當被測機構與測速發(fā)電機同軸連接時，只要檢

64、測出輸出電動勢，即可以獲得被測機構的轉速，所以測速發(fā)電機又稱速度傳感器。測速發(fā)電機廣泛應用于各種速度或者位置控制系統(tǒng)，在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調節(jié)電動機轉速或者通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。</p><p><b>　　濾波電路</b></p><p>　　經(jīng)整流后的單向直流或單向脈動直流電，都是由強度不變的直流成分和一個以上的交流成分疊加形成的。為了

65、使脈動直流電變得較為平穩(wěn)，把其中的交流成分濾掉，叫做濾波。濾波有電容濾波、電感濾波等。本系統(tǒng)中對直流電采用電容濾波的方式，使得直流電壓變得更加平穩(wěn)，調速更加精確。電路圖如圖2-15所示：</p><p>　　圖2-16 濾波電路</p><p><b>　　A/D轉換</b></p><p><b>　　2.7.1芯片選型</b

66、></p><p>　　能夠進行A/D轉換的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D轉換器ADC0809、AD570、AD670、AD673、AD7574等，TLC系列的有TLC545等，其中較為常用的是ADC0809和TLC545，TLC545是美國TEXAS儀器公司新推出的一種開關電容結構逐次逼近式8位A/D轉換器，具有19個模擬輸入端。而ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模—數(shù)轉換的器件

67、。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換，具有地址鎖存控制的8路模擬開關，應用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V---+5V，其對應的數(shù)字量輸出為00H---FFH，轉換時間為100μs，無須調零或者調整滿量程。因此本系統(tǒng)采用ADC0809作為A/D轉換芯片。</p><p>　　2.7.2 ADC0809的引腳及其功能</p&

68、gt;<p>　　ADC0809有28個引腳，其中IN0---IN7接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存允許，、接基準電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準電源。START是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉換。EOC是轉換結束信號，可以用于向單片機申請中斷或者供單片機查詢。OE是輸出允許端。CLK是時鐘端。DB0---DB7是數(shù)字量的輸出。ADDA、ADDB、ADDC接地址線用以選定8路輸

69、入中的一路，引腳詳見圖2-16。</p><p>　　圖2-17 ADC0809引腳圖</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件部分的設計</b></p><p>　　PI 轉速調節(jié)器原理圖及參數(shù)計算</p><p>　　按照典型II型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法， 轉速調節(jié)器參數(shù)和電阻電容值關系如下:</p><

70、p>　　Kn = Rn/ R0 Γn = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con</p><p>　　參數(shù)求法： 電動機 P=10KW U=220V I=55A n=1000轉/分 電樞電阻R=0.5歐姆 取濾波電路中Ro=40千歐 Rn=470千歐 Cn=0.2uF Con=1uF 則：</p><p><b>　　Umax=22

71、0V</b></p><p>　　Umin=（220/0.9）*0.5=122V</p><p>　　Yi-1=0 W=1000轉/分</p><p>　　P=Kp=Rn/Ro=11.7</p><p>　　I=Kp*T/Ti=125</p><p>　　系統(tǒng)中的部分程序設計</p><

72、p>　　軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。</p><p>　　3.2.1 主程序設計</p><p>　　主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，先設定好速度初始值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進而控制電機的轉速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1

73、個PI控制算法子程序組成。主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是由單片機P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進而控制電機的轉速。</p><p>　　主程序流程圖如圖3-2所示：</p><p>　　3.2.2 PI控制算法子程序設計</p><p>　　/*PI控制算法子程序*/</p>&

74、lt;p>　　void PID_work()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　negsum=0;possum=0;</p><p><b>　　if(BJ==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p

75、>　　possum+=k1;</p><p>　　temp[2]=temp[2]+temp[0];}</p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　negsum+=k1;</p><p>　　temp[2]=t

76、emp[2]-temp[0];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　k3=temp[2]/10;</p><p>　　if(possum>negsum)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　k2=possum-negsum

77、; //存儲結果</p><p><b>　　CY=0;</b></p><p>　　temp[1]=k3+k1; //誤差積累，</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(CY==1) //16位判斷。</p><p><b>　　

78、UK=0xfe;</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　UK=k1+k3; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　UK

79、=1;</b></p><p><b>　　P3=UK;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　4.系統(tǒng)調試</b></p><p><b>　　4.1軟件調試</b></p><p&g

80、t;　　在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題，包括鍵盤掃描處理、PWM信號發(fā)生電路的控制、以及單片機控制直流電機的轉動方向等問題，雖然問題不是很大，但是也讓我研究了好長時間，在解決這些問題的時候，我不斷向老師和同學請教，希望能通過大家一塊的努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老師的指導，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實現(xiàn)應該實現(xiàn)的功能，這讓我很著急。后來經(jīng)過一點一點的調試，并認真總結，發(fā)現(xiàn)了問題其

81、實在編寫中斷處理程序時出現(xiàn)了錯誤，修改后即可實現(xiàn)直流電機調速的目的。總結這次軟件調試，讓我認識到了做軟件調試的基本方法與流程：</p><p>　?。?）認真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤</p><p>　?。?）逐段子程序進行設計，找出錯誤出現(xiàn)的部分，重點排查</p><p>　?。?）找到合適的方法，仔細檢查程序，分步調試直到運行成功</p>

82、<p><b>　　4.2系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　仿真軟件選擇Proteus ，在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當程序在Keil C中調試通過后，會生成以hex為擴展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proteus中成功進行仿真的文件。將些文件加載到單片機仿真系統(tǒng)中，驗證是否能完成對直流電機的速度調節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調試步驟，進行軟件調試。找出錯誤所在，更正后

83、重新運行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設計完全按照論文設計方案進行。在仿真的過程中也遇到了很多問題，比如元件選擇、電路設計等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學習的時候所沒有遇到過的，所以在尋找和使用的過程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過自己的努力，并借鑒從互聯(lián)網(wǎng)上找到的資料，我逐漸掌握這些元件的使用方法和原理，為系統(tǒng)設計和仿真提供了良出的基礎。另外，在進行仿真的時候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯誤了，但是仿真通不過的情況，這些大部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)

84、仿真的問題都出在這。經(jīng)過這段時間的努力，使我對仿真軟件以及系統(tǒng)設計電路有了更深一步的認識，也為系統(tǒng)的成功奠定了基礎。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本文所述的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)是以低價位的單片微機8051為核心的，而通過單片機來實現(xiàn)電機調整又有多種途徑，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結合的方法實現(xiàn)對電機進行調整，采用PWM軟件方法來

85、實現(xiàn)的調速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有效的途徑。而在軟件方面，采用PLD算法來確定閉環(huán)控制的補償量也是由數(shù)字電路組成的直流電機閉環(huán)調速系統(tǒng)所不能及的。曾經(jīng)也試過用單片機直接產(chǎn)生PWM波形，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機的壓力大大減小，程序中有充足的時間進行閉環(huán)控制的測控和計算，使得軟件的運行更為合理可靠。</p><p>

86、<b>　　致謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設計，凝結了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設計。 首先，我要特別感謝xx老師對我的悉心指導，在畢業(yè)設計期間xx老師指導我、幫助我收集文獻資料，理清設計思路，完善操作方法，并對我所做的設計提出有效的改進方案。老師淵博的知識、嚴謹?shù)淖黠L、誨人不倦的態(tài)度和學術上精益求精的精神讓我受益終生。作為一

87、個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導師的督促指導，想要完成這個設計是難以想象的。因此，特別需要感謝xxx老師給予的耐心細致的指導，在此，再一次向xx教師以及關心幫助我的教師同學表示最誠摯的謝意！</p><p>　　其次，學校在這方面也給我們提供了很大的支持和幫助，學校領導比較重視，每個設計小組配有專門的指導老師，幫助我們能順利完成整個設計。對于學校和老師為我的畢業(yè)設計所提供

88、的極大幫助和關心，在此我致以衷心的感謝！</p><p>　　最后，還要感謝同學四年來對我的關心與支持，感謝各位老師在學習期間對我的嚴格要求。同時也要感謝身邊朋友的熱心幫助，沒有你們的關心與支持，我不可能這么快完成我的畢業(yè)設計！這幾個月的歲月是我學生生涯中最有價值的一段時光，也將會成為我以后永遠的美好的回憶，在這里有治學嚴謹而不失親切的老師，也有互相幫助情同骨肉的同學，更有和諧、融洽的學習生活氛圍，這里將是我永遠

89、向往的地方。借此論文之際，我想向所有人表達我的最誠摯的謝意，愿我們將來都越來越好。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]張友德等，單片機原理應用與實驗[M]，復旦大學出版社1992.</p><p>　　[2]張毅剛，彭喜源，譚曉鈞，曲春波.MCS－51單片機應用設計[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社2001.1.

90、</p><p>　　[3]宋慶環(huán)，才衛(wèi)國，高志，89C51單片機在直流電動機調速系統(tǒng)中的應用[M]。唐山學院，2008.4</p><p>　　[4]陳　錕　危立輝，基于單片機的直流電機調速器控制電路[J]，中南民族大學學報(自然科學版)，2003.9.</p><p>　　[5]李維軍 韓小剛 李 晉，基于單片機用軟件實現(xiàn)直流電機PWM調速系統(tǒng)[J]，維普資訊，

91、2007.9</p><p>　　[6]曹巧媛.單片機原理及應用[M].北京，電子工業(yè)出版社，1997.</p><p>　　[7]劉大茂，嚴飛.單片機應用系統(tǒng)監(jiān)控主程序的設計方法[J].福州大學學報(自然科學福建農(nóng)林大學碩士論文版)，1998.2.</p><p>　　[9]朱定華，戴汝平編著.單片機原理與應用[M].清華大學出版社北方交通大學出版社，2003.8

92、.</p><p>　　[11]薛鈞義 張彥斌編著. MCS—51/96系列單片微型計算[M].西安交通大學出版社，1997.8</p><p>　　[12]陳國呈 編著.PWM逆變技術及應用[M].中國電力出版社.2007年7月</p><p>　　[13]馬忠梅 等編著.單片機的C語言應用程序設計（第4版）[M]，北京航天航空大學出版社.2007. 4</

93、p><p>　　[14]劉昌華，易逵編著.8051單片機的C語言應用程序設計與實踐[M].國防工業(yè)出版社2007.9</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　1．詳細電路設計圖</b></p><p><b>　　2．程序</b></p>

94、<p><b>　?。?）延時程序</b></p><p>　　void dealy()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　for(i=0;i<100;i++);</p>

95、;<p><b>　　}</b></p><p>　　void t0(void) interrupt 1 using 0 //定時T0中斷服務函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tcnt++; //每過250ust tcnt 加一</p><p&g

96、t;　　if(tcnt==40) //計滿40 次（1/100 秒）時</p><p><b>　　{</b></p><p>　　tcnt=0; //重新再計</p><p><b>　　sec++;</b></p><p>　　if(sec==1

97、0) //定時0.1 秒，在從零開始計時</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　sec=0;</b></p><p>　　TH0=0x06; //對TH0 TL0 賦值</p><p><b>　　TL0=0x06;</b&

98、gt;</p><p>　　miaoshu=count;</p><p><b>　　count=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b>&

99、lt;/p><p>　?。?）PID運算子程序</p><p>　　void PID_work()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　negsum=0;possum=0;</p><p><b>　　if(BJ==0)</b></p>&l

100、t;p><b>　　{</b></p><p>　　possum+=k1;</p><p>　　temp[2]=temp[2]+temp[0];}</p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>

101、;　　negsum+=k1;</p><p>　　temp[2]=temp[2]-temp[0];</p><p><b>　　}</b></p><p>　　k3=temp[2]/10;</p><p>　　if(possum>negsum)</p><p><b>　　{<

102、;/b></p><p>　　k2=possum-negsum; //存儲結果</p><p><b>　　CY=0;</b></p><p>　　temp[1]=k3+k1; //誤差積累，</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(CY=

103、=1) //16位判斷。</p><p><b>　　UK=0xfe;</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　UK=k1+k3; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　el

104、se</b></p><p><b>　　UK=1;</b></p><p><b>　　P3=UK;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　(3)主程序</b></p><p>　

105、　void main() </p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　P1=0x00;</b></p><p><b>　　P3=0x00;</b></p><p>　　TMOD=0x01; /*定時器0方式1*/ </p

106、><p>　　TH0=0xfc; /*定時器裝載初值*/ </p><p>　　TL0=0x18; </p><p>　　ET0=1; /*開定時器0中斷*/ </p><p>　　TR0=1; /*啟動定時器0*/ </p><p>　　while(1)

107、 </p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(P1_0==1)</p><p><b>　　P1=0xff;</b></p><p>　　if(P1_1==1)</p><p>　　EA=0; /*關CPU中斷*/</p>&

108、lt;p>　　if(P1_2==1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　dir=~dir; /*轉向控制*/</p><p>　　while(P1_2!=0)</p><p><b>　　{};</b></p><p><b>

109、　　}</b></p><p>　　if(P1_3==1)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　high++;</b></p><p>　　if(high==30)</p><p><b>　　high=0;</b&

110、gt;</p><p>　　while(P1_3!=0)</p><p><b>　　{};</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b>&