PWM波直流电机速度调节系统Word下载.docx
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三硬件电路设计…6
3.1PWM波形的程序实现7
3.2直流电动机驱动7
3.3续流电路设计8
四软件设计9
4.1主程序设计9
4.2数码显数设计10
4.3功能程序设计10
4.4仿真图13
4.5仿真结果分析14
五心得体会14
摘要：
在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。
在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制（PWM）直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能。
关键字：
80c51单片机；
PWM调速技术；
直流电动机
一引言
1.1开发背景
1绪论
1.1课题的研究背景和意义
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；
尽管近年来不断受到其他电动机（如交流变频电机、步进电机等）的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulseWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。
这控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组（简称G-M系统）及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统（简称V-M系统），使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制，变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调、速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。
张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。
该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。
董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。
经1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。
由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。
而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。
所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。
1.2数字控制器D（z）
假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D（z）,
二直流电动机调速概述
2.1直流电机调速原理
直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速有以下公式：
n=U/Cc-TR内/CrCc
其中：
U—电压；
—励磁绕组本身的电阻；
—每极磁通（Wb）；
Cc—电势常数；
Cr—转矩常量。
由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。
所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
图1-1直流电机的工作原理图
电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。
在工业生产中广泛使用其中脉宽调制（PWM）应用更为广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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”。
图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图
根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为D=/T，则电机的平均速度为：
，可见只要改变占空比D，就可以得
到不同的电机速度，从而达到调速的目的。
2.2直流调速系统实现方式
PWM为主控电路的调速系统：
基于单片机类由软件来实现PWM，在PWM调速系统中占空比D是一个重要参数在电源电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D的大小，改变D的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D的值有三种方法：
A、定宽调频法：
保持不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变。
B、调宽调频法：
保持t不变，只改变，这样使周期（或频率）也随之改变。
C、定频调宽法：
保持周期T（或频率）不变，同时改变和t。
2.38051单片机简介
1．8051单片机的基本组成
8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成如下图所示：
8051基本结构图
2．8051单片机引脚图
8051单片机引脚图
三硬件电路设计
本系统采用80C51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，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。
3.1PWM波形的程序实现
随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为0.1ms，若PWM波形的频率为50Hz，占空比为1：
1，则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：
图2-1程序流程图
3.2直流电动机驱动
在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机
L298内部结构和功能引脚图
L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其内部有两个完全相同的功率放大回路。
L298引脚符号及功能
SENSA、SENSB：
分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地
ENA、ENB：
使能端，输入PWM信号
IN1、IN2、IN3、IN4：
输入端，TTL逻辑电平信号
OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：
输出端，与对应输入端同逻辑
VCC：
逻辑控制电源，4.5~7VGND:
地
VSS：
电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高
当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；
输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;
;
IN1与IN2相同时,电机快速停止。
当使能端为低电平时,电动机停止转动。
3.3续流电路设计
由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。
我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。
二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。
由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。
为保护芯片加上洗续流电路。
电路的工作原理替如图3.7所示。
电路的工作原理：
当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；
当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。
续流电路工作原理图
四软件设计
4.1主程序设计
该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.
ORG0000H
AJMPSTART
ORG0003H
LJMPINT0；
T0中断
ORG000BH
LJMPITT0；
T1中断
ORG0030H；
系统初始化
START:
MOVSP,#60H；
赋初值堆栈指针
MOVR0,#00H；
给R0送值0
MOVR1,#00H；
给R1送值0
CLRP1.5；
置0
CLRP1.6；
置0
CLRP1.7；
MOVTMOD,#01H；
写控制字控制方式
MOVTL0,#0FFH；
置定时常数
MOVTH0,#0FFH
SETBEA；
允许中断
SETBEX0；
允许外部中断0
SETBET0；
允许TL0中断
CLRIT0
SETBTR0；
启动TL0
图3-1主流程图
4.2数码显数设计
通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示
程序代码：
MOVDPTR,#TAB
MOV40H,#0；
MOV41H,#0；
LED:
SETBP1.1；
P1.1置1
CLRP1.2；
P1.2清0
MOVA,40H；
将40H的内容送往A
MOVCA,@A+DPTR；
查表
MOVP0
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