基于单片机AT89S52控制直流电机调速系统设计与仿真文献综述Word格式文档下载.doc
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题目单片机控制直流调速系统设计与
仿真
学生姓名
专业班级
学号
系（部）
指导教师（职称）
完成时间2012年3月10日
单片机控制直流调速系统设计与仿真
摘要：
由于传统的VM直流电机调速系统，电机工作不稳定，难以满足高精度、大功率场合。
本文介绍了基于单片机AT89S52的直流电机PWM调速控制系统，其性能稳定，电路简单，控制精度高，修改参数方便，可调范围宽，响应速度快且成本低，非常适合应用于大功率、可靠性要求较高的直流电机控制中。
关键词：
AT89S52/电机控制/PWM
随着科技的发展，人们对控制系统的要求越来越高，电机调速成了人们研究的课题。
电机在各行各业发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而控制电机的转速和电机的调速，使它满足人们的各种需要，更显得重要。
现在对于普通直流电机的调速已经有了比较成熟的方法，而PWM调速成为电机调速的新方式。
文献【1】中说到，直流电动机的控制方法可分为两类：
励磁控制法与电枢电压控制法。
励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，其动态响应较差，所以使用较少。
电枢电压控制法总体上可以分为两种，一种是调节电压，一种是调节电枢电流。
传统的调速系统是用模拟电子电路来实现的，这种电路虽然反应快，但是灵活性较差，而且复杂。
由文献【2】，单片机作为一种可编程控制器技术上已经比较成熟。
通过单片机对普通直流电机进行调速的系统已经存在，单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。
电子技术的发展，促进直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速极速进入一个新的阶段。
起先的电机电枢电压调节法采用串联电阻调速法,这种方法耗能大，且调速不平稳，以后出现了晶闸管、MOSFET、IGBT等主控原件的调速装置。
传统的晶闸管直流调速系统控制回路的硬件设备极其复杂,安装调试困难,相对故障率较高,维修比较困难。
由单片机控制的电机调速系统,其控制方案是软件编写实现的,控制器由可编程功能模块组成,配置和参数调整简单方便,工作稳定。
随着时代发展，晶体管器件的制造水平以及电路技术有了很大的提高，PWM技术得到了高速发展，诞生了各式各样的脉宽调速控制器，由之而生了脉宽调速模块，许多单片机也具有了PWM输出功能。
文献【3】中的直流电机脉冲宽度调制（PulseWidthModulation—简称PWM）调速系统产生于20世纪70年代中期，最早用于自动跟踪天文望远镜，自动记录仪表等的驱动。
PWM调速原理是基于改变占空比来实现的，将占空比不同的脉冲转化为电压来驱动直流电机转动。
电源电压不变，电枢的端电压平均值U取决于占空比的大小，改变其值就可以改变端电压的平均值，得到不同的转速，实现电机启动、停止和反转等功能，进而达到调速的目的。
通过对一系列脉冲的占空比调制,即按一定规律改变通断电时间,由于脉冲的作用,通电时速度加快,断电时速度减慢,即可对电机的转速进行控制，实现直流电机的数字化调速。
文献【4】指出，与V-M调速系统相比，PWM调速系统具有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉冲波动很小的直流电流，电枢电压易连续，系统低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
由文献【5】，与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。
（2）由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗小，发热低。
（3）由于其电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率高。
由文献【7】，PWM是对模拟信号电平进行数字编码的方法，不仅容易由软件来实现，而且从处理器到被控制信号都是数字形式，无需模数转化，再加上PWM对噪声的抵抗能力强，使得PWM成为目前电机调速的主要方法。
一种方法是采用闭环控制，通过单片机产生PWM波，控制电动机电枢电压通断时间来实现变电压调速；
另一种方法是采用模糊控制，使用开环系统，通过改变程序参数来实现转速变化；
还有一种方法是直接对模拟量进行控制，由单片机编程，通过D/A转换元件转换为模拟量，直接控制可控硅的导通角，D/A的位数决定调速的级数。
由文献【9】，直流电机的工作场合常需要正反转，就要用到可逆PWM系统。
可逆PWM系统可分为双极性驱动可逆PWM系统和单极性驱动可逆PWM系统。
双极性可逆PWM系统在低速时运行平稳，但电流波动大，导致元件损耗大，还必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关的高频率。
单极性可逆PWM系统能够避免开关管直通，大大提高了系统的可靠性，但是轻载时会出现断流，可以通过提高开关频率或改进电路设计来避免。
由文献【13】，脉宽调制本质上是一种电压调速,它结合其他元件改变电机电枢在一定周期内的导通时间,就可以调节电机两端的平均电压,达到调节电机转度的目的。
相比与串电阻调节法，采用脉宽调制控制电机电枢的通断,减少了电能在电阻中的损耗,能够节约能源。
在硬件电路的搭建上面,一般采用闭环控制方式，通过两个定时器对电机的转速进行测量,由于51单片机的定时器只有两个,需要通过程序或结合其他外设来产生控制脉冲。
当然也可以采用52单片机，用单纯程序来改变脉冲输出的频率,其中延时的长短是动态的,软件在电动机控制中,要不停地产生控制脉冲,占用了大量的CPU时间。
所以一般结合定时器来产生脉冲。
当要求控制脉冲频率较高时候,还需要外加一些模块来产生PWM,比如PWM波形发生器。
在自动调速的算法上一般采用PID算法,通过目标量与检测量进行比较,再由算法来调制脉宽。
文献【15】中提到另一种脉宽调制系统，采用模糊控制法,它不需要检测装置,硬件电路搭建相对简单，但要实现某种速度变换需要不断地结合实际来修改程序参数,结果比较不精确，不能随外界的环境变化而变通。
直接调整模拟量的电机调速方法,是通过D/A转换直接控制双向可控硅的导通角,即调节触发角a的大小,来改变电机主绕组两端的平均电压,以实现降压调速。
在电机的驱动元件上,有光耦、双向可控硅、L297（步进电机驱动）、场效应管、三极管、固态继电器（SSR）。
在选择驱动元件时除了考虑电机的功率外,还应该考虑驱动元件的响应速度。
总结
脉宽调制调速法突破了传统的串电阻调速,节省了电能。
用单片机来实现电机调速为电机调速提供了新的方法，它虽然没有传统的模拟数字电路调速反应快,但是由单片机搭建的电机调速电路要比使用模拟数字电路简单得多，不仅节约了成本且单片机灵活性高,可以重复编程,特别是当实际的环境条件改变以后,可以通过改变程序来实现不同的功能。
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