基于单片机的直流调速系统设计毕业论文.docx

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基于单片机的直流调速系统设计毕业论文

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摘要

本文的主题是单芯片微型计算机的DC速度控制系统的设计。

早期直流电机的控制策略包含模拟电路、数字电路以及运算放大器等等。

当前随着科学技术的快速发展，直流电机的控制策略也随之逐渐发展，已经实现了控制系统的数字化应用，直流电动机控制方式从模拟电路向数字电路的转换，特别是单芯片技术的应用提供了新的控制思路。

直流电动机的速度控制系统的优点是高的起动性。

在很多需要快速反应调速的领域中，都有它的一席之地。

在当今的电子产品里面，直流电机调速系统得到了广泛地应用。

AT89S52单片机是本文的设计核心，我将通过两个方面完成此次系统的设计与调试，分别是单片机和C语言。

科技越来越发达，单片机性能越来越好，有多种算法来控制不同种类的单片机，多种算法与控制的结合下产生了极高的灵活性与可操作性，高性能的系统也是越来越多。

我通过单片机的操作系统，减少了很多人力与金钱的成本，有效地提高了效率。

关键词：

AT89S52单片机，控制系统，直流调速

Abstract

ThethemeofthispaperisthedesignofDCspeedcontrolsystemforsinglechipmicrocomputer.EarlyDCmotorcontrolstrategiesincludeanalogcircuits,digitalcircuitsandoperationalamplifiers.Atpresent,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thecontrolstrategyofDCmotorhasbeengraduallydeveloped.Thedigitalapplicationofcontrolsystemhasbeenrealized.TheconversionofDCmotorcontrolmodefromanalogcircuittodigitalcircuit,especiallytheapplicationofsinglechiptechnology,providesanewcontrolidea.ThespeedcontrolsystemofDCmotorhastheadvantageofhighstartup.Inmanyareasrequiringrapidresponsespeedregulation,ithasitsplace.Intoday'selectronicproducts,DCmotorspeedcontrolsystemhasbeenwidelyused.

AT89S52singlechipcomputeristhedesigncoreofthispaper.Iwillcompletethedesignanddebuggingofthissystemintwoaspects:

singlechipcomputerandClanguage.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theperformanceofsingle-chipcomputerisgettingbetterandbetter.Therearemanyalgorithmstocontroldifferentkindsofsingle-chipcomputer.Thecombinationofvariousalgorithmsandcontrolresultsinhighflexibilityandoperability,andmoreandmorehigh-performancesystems.Throughtheoperationsystemofsinglechipcomputer,Ihavereducedthecostofmanpowerandmoney,andeffectivelyimprovedtheefficiency.

Keywords:

AT89S52SingleChipMicrocomputer,Controlsystem,DCspeedregulation

第1章绪论

1.1课题背景及意义

直流电机诞生于一百四十多年前，自其问世以来，在各行业中得到了广泛应用。

随之制造业规模的逐渐扩展和技术的不断革新，直流电源的普及和新材料的应用促使了直流电机产品的发展和完善，一系列不同规格型号的直流电机在生产生活的各个领域之中广泛应用，且种类日益繁多。

直流电机的额定功率在数瓦至数千万之内，具有良好的运行稳定性和可靠性，广泛应用于各行业领域之中。

近年来，随着计算机技术在直流电机的设计和制造各个环节中均有所应用，为直流电机功能的完善奠定了坚实基础。

就直流电机的演变历史角度层面来说，可发现直流电机的发展趋势和动向可分为几个阶段：

从上世纪40年代到50年代之间,直流电动机系统的电源主要的方案是采用M-G电动发电系统,时间来到60年代初,水银整流器电源逐渐代替电动发电机系统电源,慢慢来到60年代后期,可控硅整流装置凭空出世,并且得到空前的迅速发展,可控硅整流电源已占据了统治地位。

由于时代的发展，直流电源供电的方式不断更新迭代,尤其是近年来，技术的不断革新为直流电机功能的发展和完善奠定了坚实基础，促使直流电机功率和转速动能以及控制精确度不断提升。

由于各行业领域的技术不断创新，特别是绝缘技术的发展，小型轻量是直流电机的发展方向。

科学技术在时间的推进下不断进步，各种方向单片机的研究与深入探讨层出不穷，有全面发展的态势。

也就是在这个时候，在1985年，一些具有良好创新意识的企业，像美国的创新铣床公司利用自身独特的优势生产出了HVM600高速加工的中心，它最大的优势在于最大速度可达76.2m/min，其他产品是很难超越这个最大速度的，最主要的原因是使用了永磁同步直线电机。

随着时间的推进，直线电机速度的最高峰值不断变化，但时间停留在1997年，150～200m/min是直线电机速度已经能够达到的最大值。

由于现代技术的不断发展，不断地研制出更多的控制、冷却技术还有新型的磁性材料，从这个现状来看，我们能够得出，高速度机床企业正在广泛使用直线电机。

如今，直流调速的发展前景受到了较大的冲击，变频技术的快速发展是重大的原因，能展示出交流调速的优势，但是直流调速系统的位置还是非常稳固的，因为从全局来看的话，从我们国家的实际情况来看，全数字化的直流天速系统正在崛起，很大幅度的提高了直流调速系统的可靠性和精度。

在所有的系统里面，不管调速与加速、减速性能做得多好，稳速性能一直是最难提高的，相对于前面两个性能，稳速要求更难，稳速的难点在于要以一个稳定的速度转动，与此同时，转动速度的波动范围要求很小，一定要具备应对干扰的能力。

对于各个企业来说，同时把调速、增减速、稳速做的特别好，是非常难的，在科研、人力上需要投入巨大的精力，但是这也是各个企业的目标。

直流电机在各行业领域中具有重要作用，评判直流电机性能优异与否的重要指标之一为直流电机的转速参数，就实际生产生活而言，设备的性能需要达到人们的需求预期，这对于提升生产效率降低劳动量而言具有重要意义，因而要测量电机的转速和调速，而且随着科技的不断发展,电机调速的新方式是PWM调速。

伴随着技术的不断进步发展，控制系统的自动化是越来越多的行业开始采用的系统，电气传动中采用直流驱动控制系统是现代化生产中越来越重要的主流系统。

直流电动机系统在传动领域中变得如此重要的原因有几点，一是它控制性能好，二是调节方法非常简单，最重要的是能大范围地平滑调速，转速调节灵活。

当今很多现代化企业工厂里面，有关于自动化控制的设备使用直流电动机已经是很常见的事情。

随着社会生产得规模不断加大，直流电机的性能和需求量都会要求更新，需要更好的性能及机器。

作为一名即将进入社会的自动化人员，直流电机系统的性能将会是我们以后工作的焦点，我们将会不断提高它的性能。

1.2直流电机调速原理

如下图所示为直流电机电路模型，在磁极

、

之间设有一个可自由转动的磁铁，磁铁表面固定有一个缠绕状的线圈。

当电流经过线圈时，线圈将受电磁力作用，将做旋转运动。

根据左手定则我们可知，当流过线圈中的电流改变方向的时候，届时线圈方向也会改变，所以通过改变线圈的电路方向从而实现改变电机转动的方向。

直流电机的模型见图1-1。

图1直流电动机电路模型

社会上有几种不同的直流电机系统，他们各自有不同的机械特性曲线。

以下公式对于直流电机都适用：

（1-1）

式“

---电枢供电电压；

-------电枢电流；

-------励磁磁通；

--电枢回路总电阻；

----系数；

；

——电磁对数；

——电枢并联支路数；

——导体数。

现在介绍两种控制直流电机转速过大的策略，其一为枢电压控制方式；其二为励磁控制方式。

前者实现控制的主要原理是定子磁场保持不变，其电枢电流可达到额定值，在电枢电流达到额定值后期输出转矩也可相应达到额定值，这种方式也被称之为恒转矩调速方式；后者实现转速控制的主要原理是电机在额定电流下进行运行是会，其磁场近饱和，因而若要实现转速控制只有通过控制磁场的方式来实现，因此这种转速控制方式也被称之为恒功率调速方式。

在工业生产中常见的直流电机所采用的转速控制策略为第一种，即电枢电压控制方法。

在这之中，脉宽调制（PWM）即为保持频率不变，通过改变占空比来控制“占空比”百分比，来改变电枢电压的大小，从而完成对电动机转速改变的操纵。

1.3系统方案与分析

单片机里的AT89S52型号是本文用来调试系统的核心，改变占空比的方式有很多，我采用了通过脉宽调制的方式，来控制直流电机的速度。

本人设计的调试中，我将模拟PWM信号的集成，接着使用驱动电机，再利用光电编码器的功能，推算出电机的速度，最后将电压信号反馈给单片机，实现目的。

单片机也将进行PID运算，利用单片机的功能，输出控制量，形成一个闭环控制，完成一个控制电机速度的控制。

对于基于单片机的直流调速系统，作者是这样理解的：

“直流电电机实现转速的平稳控制是利用基于单片机的直流调速系统来实现的。

脉宽调制为保持频率不变，通过改变占空比来控制占空比，来改变电枢电压的大小，从而完成对电动机转速改变的操纵。

”因此在本文所设计的直流电机调速系统中，脉宽调制的作用即为控制电动机的转速。

控制过程为在固定频率的前提下，即保持周期不变的情况下，根据设计要求来接通和断开电源，通过改变“接通”和“断开”时间的长短。

因此，“开关驱动装置”也是PWM一个别称。

作者根据脉宽调制原理，已单片机系统为基础，改变电枢电压占空比，从而实现改变直流电动机的速度。

硬件与软件的控制缺一不可，硬件为整个系统提供一个稳定的平台；软件提供了系统所需的算法、分析功能，两者相辅相成，才能达到作者的目的。

1.4总体硬件电路设计

图2直流电机PWM调速系统设计方框图

第2章PWM脉宽调制原理

2.1PWM调速原理

脉宽调制主要原理是通过控制脉冲幅值来实现的，等效代换得到目标波形信息的技术。

下式是计算占空比的公式：

（2-1）

占空比

：

在一个设定好的时间周期里，管道开关导通的时间与时间周期的比值，其中占空比的变化范围是

。

从这个公式我们可以得出，