传输设备速度控制器的设计论文正文Word格式文档下载.docx
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关键词：
直流电机；
调速；
单片机；
霍尔传感器；
PWM；
PID
ABSTRACT
SpeedisanimportantphysicalquantityintherunningDCmotor,howtoaccuratelyandquicklymeasurethemotorspeedhasaverylargevalueinuseinpracticalworkonthemotorspeedcontrol.DCmotorhasagoodstartupperformanceandspeedcharacteristics,itischaracterizedbystartingtorque,maximumtorque,inawiderangeofsmooth,economicalspeed,speed,easycontrol,speedcontrolafterthehighefficiency.ThisdesignofDCmotorspeedcontrolsystem,mainlybythemicrocontroller51,powersupply,drivercircuits,LEDliquidcrystaldisplay,theHallvelocityandindependentkeycomponentcircuitsofelectronicproducts.Powersupplywith78serieschip+5V,+15VformotorspeedcontrolusingPWMwavemode,PWMisapulsewidthmodulation,dutycyclebychangingtheMCU51.Achievedthrough3independentbuttonsstartandstopthemotor,speedcontrol,turningthemanualcontrol,LEDrealizesthemeasurementdata（speed）ofthedisplay.MotorspeedusingHallsensoroutputsquarewave,by51secondsto1microcontrollersquarewavepulsesarecountedtocalculatethespeedofthemotortoachieveaDCmotorfeedbackcontrol.
KEYWORDS:
Dcmotor;
Speedregulation;
Singlechipmicrocomputer;
Hallsensor;
PWM；
1.1课题背景.......................................................................................................................1
1.2选题的目的和意义.......................................................................................................2
1.3研究方法.......................................................................................................................2
2基本原理阐述......................................................................................................................3
2.2.2PWM脉宽调制方式......8
2.3PID算法简介8
2.3.1PID控制..................................................................................................................8
2.3.2数字PID算法........................................................................................................8
2.3.3数字PID参数整定方法......................................................................................10
3.6电源设计方案……………………………………………............…………....….....13
4系统硬件设计....................................................................................................................15
4.1系统基本组成.............................................................................................................15
4.2电源电路设计.............................................................................................................15
4.3电机驱动电路设计.....................................................................................................16
4.4转速测量电路设计.....................................................................................................17
4.5AT89S52的简介...........................................................................................................18
4.5.1AT89S52主要性能................................................................................................18
4.6LED显示电路设计......................................................………………….....................19
4.6.1LED简介...............................................................................................................19
4.6.2LED七段数码管的结构.......................................................................................20
4.7键盘电路设计............................................................................................................20
4.8整体硬件电路图……………………………………………………………………21
5.3键盘程序程序流程24
5.4定时程序流程25
6.3仿真结果分析………………………………………………………………….....30
总结与展望..…..34
致谢..35
一绪论
1.1课题背景
直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞生，直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。
其换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。
1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发展，对滞留拖动控制系统调节器的设计也有了一套实用的工程设计方法。
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，因而测量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。
随着科技的发展，PWM调速成为电机调速的新方式，并凭借它的开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。
利用单片机对直流电机进行直接的控制具有准确的自动调节作用。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的能量转换效率；
二是应能根据生产工艺的要求调整转速。
直流电机由于具有速度控制容易，启动制动性能良好，且能在宽范围内平滑调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。
直流电动机转速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。
所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。
传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的，但这种调压方法效率低。
随着电力电子技术的发展。
创造了许多新的电枢电压控制方法。
其中脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）是常用的一种调速方法，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
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选题的目的和意义
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。
采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使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，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
1.3研究方法
本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。
在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。
本文介绍了直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制（PWM）控制原理，根据模型，利用PROTEUS软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。
二基本原理阐述
2.1直流电机调速
2.1.1直流电机原理
直流电动机，多年来一直用作基本的换能器。
绝大多数的直流电动机都是由电磁力形成一种方向不变的转矩而实现连续的旋转运动的。
图2-1为直流电机的物理模型图，其中，固定部分（定子）由磁铁（称为主磁极）和电刷组成；
转动部分（转子）由环形铁心和绕在环形铁心上的绕组组成，定子与转子之间有一气隙。
在电枢铁心上放置了由A和B两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向器和电刷与外电路接通。
图2-1直流电机的物理模型图
直流电动机的工作原理如图2-2所示。
给两个电刷加上直流电源，如图2-2所示，有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；
如果转子转到图2-2所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。
此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，这就保证了每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向，这样的结构，就可使电动机连续旋转。
图2-2直流电机原理图
2.1.2直流电机调速方法
根据励磁方式不同，直流电机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电机机械特性曲线有所不同。
对于直流电机来说，稳态转速方程式为：
（2-1）
式中n—转速（r/min）；
U—电枢电压（V）；
I—电枢电流（A）；
R—电枢回路总电阻（
）；
—励磁磁通（Wb）；
—由电机结构决定的电动势常数。
由公式（2-1）可知，直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通
。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同
变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻R。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；
空载时几乎没什么调速作用；
还会在调速电阻上消耗大量电能。
基于以上特性，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。
改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。
调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。
用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
图2-3 晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）
直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。
它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。
图2-4为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。
当开关VT接通时，电源电压U。
加到电动机上；
当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。
如此反复，得电枢端电压波形如图2.4（b）所示。
图2-4直流斩波器原理电路及输出电压波型
（a）原理图 （b）电压波型
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。
目前，受到器件容量的限制，PWM直流调速系统只用于中、小功率的系统。
2.2PWM原理及其实现方法
2.2.1PWM基本原理
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，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。
PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
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”。
如图2-2所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；
电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
图2-5电枢电压“占空比”与平均电压关系图
设电机始终接通电源时，电机转速最大为
，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为
=
（2-2）
式中，
—电机的平均速度；
—电机全通电时的速度（最大）；
D=t1/T—占空比。
由公式（2-2）可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度
从而达到调速的目的。
严格来说，平均速度
与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似的看成是线性关系。
2.2.2PWM脉宽调制方式
PWM脉宽调制的方式有3种：
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；
并且存采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
PWM的一个优点是从AT89S52到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，才能对数字信号产生影响。
这也是PWM用于通信的主要原因。
2.3PID算法简介
2.3.1PID控制
在连续控制系统中，PID控制算法得到了广泛的应用，是技术最成熟的控制规律。
目前提出的控制算法有很多。
根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。
实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。
由于本文只用到数字PID，所以只介绍数字PID算法。
2.3.2数字PID算法
模拟PID控制器的基本算式为：
（2-3）
为比例系数，
为积分时间常数，
为微分时间常数。
简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：
（1）比例环节：
即时成比例地
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