1、 毕业设计说明书 基于单片机的直流调速系统的设计 系 、 部： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 2013 届毕业设计课题任务书 院 (系 )：电气与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 指导教师 学生姓名 课题名称 基于单片机的直流调速系统的设计 内 容 及 任 务 分析单片 机对直流电机进行速度测量应用的基本原理，并用单片机产生PWM 波来控制直流电机的可逆调速，从而实现了对普通直流电机的转速测量和转速调节。 研究以单片机 AT89S52 和 IR2110 控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52 芯片可以进行低成本直流电动机控制系统的设计，并且能够简化系统构成
2、、降低系统成本、增强系统性能、以满足更多应用场合的需要。 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 要求 : (1)设计一个单闭环调速系统，通过外接键盘及按钮实现直流电机正转、反转及速度调节控制。 (2)直 流电机转速调节范围为 30-50 转 /秒，实时测量电机的实际转速 ,并要求在 LED 数码管上显示出来。 (3)选择可以构成闭环系统的方案、选择所需器件和模块、以及 IGBT 管组成桥式斩波电路。 (4)要求系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及 PWM的占空比在 LED 上的实时显示。 (5)对直流电机模型进行 PID 控制分析。 (6)对直流电机进行 MATLAB
3、 仿真和分析。 摘 要 本文主要研究了利用 AT89S52单片机控制 PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章介绍了 AT89S52 的详细参数，并对 PWM 信号的原理、产生方法、以及如何通过软件编程对 PWM 信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了阐述。设计分为两个部分，硬件部分和软件部分。对于硬件部分首先从总体上做了设计，也就是以 AT89S52 为中心来组成硬件部分，其辅助部分包括了 显示电路、测量电路、键盘电路；对于软件部分则选择了使用模块化的设计思路，根据本设计的要求以及它要实现的功能编写了属于每个模块部分的流程图。并且说明了软件的设计方式和思路。 此外，本
4、文中还采用了芯片 IR2110 作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模 块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。在软件方面，文章中详细介绍了 PID 运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。本系统中使用了光电编码器对输出的转速进行了测量，并且作为反馈值输入到单片机进行 PID 运算，从而实现了对输出速度的控制。 关键词： PWM 信号； IR2110； PID 运算 ABSTRACT This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using AT89S52 sin
5、gle-chip computer 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. The design is divided into two parts,hardware and software part.For the hardware part,the AT89S52 is the center form of the hardware part,the auxiliary
6、part includes display circuit,measuring circuit,keyboard circuit;Software adopts modular design concept.write each modular flow chart.Discusses the design thought and method of software.In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed o
7、f rotation of D.C. motor. Whats more, is used in this system to measure the speed of D.C. motor. In software, the article introduced the PID operation procedures, such as initial program and the writing of the thought and specific program realization .The result of the measurement is sent to A/D con
8、verter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PIDcalculation. Key words: PWM signal； IR2110； PID calculation 目录 摘要 . ABSTRACT . 目录 . 1 绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1 直流电机的发展及设计背景 . 错误 !未定义书签。 1.2 直流电机调速原理 . 错误 !未定义书签。 1.3
9、 系统方案与分析 . 错误 !未定义书签。 1.4 总体硬件电路设计 . 错误 !未定义书签。 2 PWM 脉宽调制原理 . 错误 !未定义书签。 2.1 PWM 调速原理 . 错误 !未定义书签。 2.2 PWM 调速方法 . 错误 !未定义书签。 2.3 PWM 实现方式 . 错误 !未定义书签。 3 硬件部分 . 错误 !未定义书签。 3.1 单片机的选型 . 错误 !未定义书签。 3.2 驱动电路 . 错误 !未定义书签。 3.2.1 芯片 IR2110 性能及特点 . 错误 !未定义书签。 3.2.2 IR2110 的引脚图以及功能 . 错误 !未定义书签。 3.2.3 元器件的选择
10、比较、选型 . 错误 !未定义书签。 3.3 H 桥双极性主电路 . 错误 !未定义书签。 3.4 检测回路 . 错误 !未定义书签。 3.4.1 光电编码器 . 错误 !未定义书签。 3.4.2 M/T 法测速原理 . 错误 !未定义书签。 3.5 键盘及显示电路 . 错误 !未定义书签。 3.5.1 键盘 /显示芯片 8279 简介 . 错误 !未定义书签。 3.5.2 键盘设计 . 错误 !未定义书签。 3.5.3 显示器设计 . 错误 !未定义书签。 3.6 电源电路 . 错误 !未定义书签。 4 系统软件设计 . 错误 !未定义书签。 4.1 PWM 实现方式 . 错误 !未定义书签
11、。 4.1.1 定时器 /计数器 . 错误 !未定义书签。 4.1.2 PWM 产生程序 . 错误 !未定义书签。 4.2 系统程序设计 . 错误 !未定义书签。 4.2.1 主程序及系统初始化模块 . 错误 !未定义书签。 4.2.2 中断程序设计 . 错误 !未定义书签。 4.2.3 中断子程序模块 . 错误 !未定义书签。 4.3 键盘 /显示模块设计 . 错误 !未定义书签。 4.4 数字 PID 控制器 . 错误 !未定义书签。 4.4.1 PID 控制器原理 . 错误 !未定义书签。 4.4.2 数字 PID 控制器流程图 . 错误 !未定义书签。 5 系统的 MATLAB 仿真
12、. 错误 !未定义书签。 5.1 系统的建模与参数设置 . 错误 !未定义书签。 5.2 电机 Matlab 仿真 . 错误 !未定义书签。 结 束 语 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 35 致 谢 . 36 附 录 . 错误 !未定义书签。 7 1 绪论 1.1 直流电机的发展及设计背景 直流电机问世已有一百四十多年的历史。在设计和制造技术上有很大进步 , 新材料、新技术的应用以及整流电源的普及 , 促进了一般工业用直流电机的不断扩大 , 品种的日益繁多。从小至数瓦 , 大到万余千瓦 , 广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重 运输、机床制造、纺织印染等各个部门中 , 特别是近几年电子计算
13、技术广泛应用在直流电机设计制造中。从直流电动机的演变历史 , 也可以纵观直流电动机的发展历史和动向、从四十年代后期到五十年代的前期 , 直流电动机的电源主要是采用 M-G电动发电机组 ,六十年代初 , 电动发电机组电源已被水银整流器逐渐代替 , 到六十年代后期 , 由于可控硅整流装置的出现 , 并得到迅速发展 , 可控硅整流电源已占统治地位。由于直流电源供电方式的不断更新换代 , 特别是在最近的十几年期问 , 进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高 , 目前朝着高 速、大功率方向发展。另外 , 由于绝缘技术和分析技术的进步 , 直流电动机已迅速向小型轻量 , 低惯量方面发展。 时代在进
14、步，各种各样的深入研究和技术也得到不断地发展和进步，理所当然，许许多多的科研成果和更多非常好的性能和品质直流电机产品得以出现。也就是在这个时候， 1985年，一些具有创新意识的好公司像美国的 Ingersol铣床公司利用自身的优势生产出了 HVM600高速加工中心，它的优势在于进给速度最大值可达 76.2m/min，这是其他产品很难超越的，因为这其中使用了永磁同步直线电机。随着时间的推移，直线 电机速度的最大值不断变化，但时间定格在 1997年时，直线电机速度的最大值已经能够达到 150 200 m/min，能够做到这一点是 20多家在汉诺威 12.EMO展览会上展出自己家公司生产研发的直线电
15、机传动装置，其中做的比较突出的是法国 Renault automation公司的加工中心和德国 Trumpf公司的激光机床。 由于现代技术不断发展使得控制技术、冷却技术以及许多的 新型磁性材料不断地被研制出来，从这些最被看好有未来的产品中我们能够得出，直线电机正在广泛的被应用于高速度机床的进给机构中 。如今，直流调速受到了很大 的冲击，原因在于变频技术的横空出世，使得交流调速的优势得以展现，但这并不影响一个非常重要的位置属于直流调速系统，原因在于从全局来看的话，考虑到我们国家在这方面的一些实际情况，另外还出现了直流调速系统的全数字化，使得可靠性及精度在直流调速系统得到了很大的提高。 稳速对于直
16、流调速系统转速控制十分重要，因为这是个最难实现的指标，相对于调速、加速或减速这两方面来讲，稳速的指标在于要求以一个稳定的转速运动，转速的波动要控制在很小的范围内，要有一定能够应对不同的干扰的能力，工业上，能够很好地实现调速、加速或减速这两方面 的功能，但是对于稳速精度的功能的实现还是有一定的困难。 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 ，而且 随着科技的发展 ,PWM调速成为电机调速的新方式 。 随着技术的高速进步，越来越多的行业开始采用控制系统的自动化，现代化生产变得越来越重要的是主流开
17、始变为电气传动采用直流驱动控制。直流电动机之所以能在传动领域统治地位中占有重要的一席之地，原因在于它不仅控制性能好，调节方法简单，而且能够大范围平滑调速，转速调节非 常灵活。现在社会生产中，只要是工厂自动化设备，不管是机器人还是数控机床都在广泛应用直流电动机。稍加思索我们就会知道，随着社会生产规模的继续加大，直流电机各方面的性能和直流电机的需求量都会需要提出一些新的要求，那就是更好的性能，更大规模的需求量。因此，对直流电机控制系统进行高可靠性的，高性能的研究工作对现实生活具有非常重要的意义。 1.2 直流电机调速原理 直流电机电路模型如图 1-1 所示，磁极 N 、 S 间装着一个可以转动的铁
18、磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。直流电机模型见图 1-1。 图 1-1 直流电动机电路模型 不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对直流电动机的转速有以下公式： e aaa C RIUn （ 1-1） 式 aU -电枢供电电压（ V） aI -电枢电流（ A） -励磁磁通（ Wb) R -电枢回路总电阻（ ） eC -电势系数， apNCe 60， p 为电磁对数， a 为电枢并联支路数， N 为导体数。 直流
19、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，容易因 磁场饱和而受到影响 。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法。 其中脉宽调制 (PWM)就是保持频率不变，通过控制占空比来改变 “占空比”的百分比，从而改变电枢电压的大小，实现对电动机转速的控制。 1.3 系统方案 与分析 本文主要研究了利用 AT89S52 单片机，通过 PWM 方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了通过编程实现 PWM 信号的发生，然后通过 IR2110来驱动电机。利用光电编码器测得电机速度，把电压信号反馈给单片机，在内部进行PID 运算，输出控制量完成
20、闭环控制，实现电机的调速控制。 单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。 PWM 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变电枢两端电压的大小，从而使电压变为要求的一种控制方法。在调整系统中， PWM 的作用表现为 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。从而使输出的平均电压发生变化，也就是因为改变了电枢电压的“占空比”，从而实现了控制平均电压的大小。因此，“开关驱动装置”也是 PWM 一个别称。本系统以 AT89S52 单片机为核心，通过单片机控制， C语言编程
21、实现对直流电机的平滑调速。 本系统以单片机系统为依托，根据 PWM 调速的基本原理，以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为依据，实现 对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。 1.4 总体硬件电路设计 系统总体设计框图 图 1-2 直流电机 PWM 调速系统设计方框图 直流电机 AT89S52 单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制） 转速检测 驱动电路 键盘控制 LED 显示 PWM
