1、2013届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学生姓名指导教师职称教授专业电气工程及其自动化班级完成时间20135282013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、降低系统成本、增
2、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3050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
3、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
4、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ABSTRACTTHISARTICLEMAINLYINTRODUCESTHEMETHODTOGENERATETHEPWMSIGNALBYUSINGAT89S52SINGLECHIPCOMPUTERTOCONTROLTHESPEEDOFADCMOTORITALSOCLARIFIESTHEPRINCIPLESOFPWMANDTHEWAYTOADJUSTTHEDUTYCYCL
5、EOFPWMSIGNALTHEDESIGNISDIVIDEDINTOTWOPARTS,HARDWAREANDSOFTWAREPARTFORTHEHARDWAREPART,THEAT89S52ISTHECENTERFORMOFTHEHARDWAREPART,THEAUXILIARYPARTINCLUDESDISPLAYCIRCUIT,MEASURINGCIRCUIT,KEYBOARDCIRCUITSOFTWAREADOPTSMODULARDESIGNCONCEPTWRITEEACHMODULARFLOWCHARTDISCUSSESTHEDESIGNTHOUGHTANDMETHODOFSOFTWA
6、REINADDITION,IR2110HASBEENUSEDASANACTUATINGDEVICEOFTHEPOWERAMPLIFIERCIRCUITWHICHCONTROLSTHESPEEDOFROTATIONOFDCMOTORWHATSMORE,ISUSEDINTHISSYSTEMTOMEASURETHESPEEDOFDCMOTORINSOFTWARE,THEARTICLEINTRODUCEDTHEPIDOPERATIONPROCEDURES,SUCHASINITIALPROGRAMANDTHEWRITINGOFTHETHOUGHTANDSPECIFICPROGRAMREALIZATION
7、THERESULTOFTHEMEASUREMENTISSENTTOA/DCONVERTERAFTERPASSINGTHEFILTERINGCIRCUIT,ANDFINALLYTHEFEEDBACKSINGLEISSTOREDINTHESINGLECHIPCOMPUTERANDPARTICIPATESINAPIDCALCULATIONKEYWORDSPWMSIGNAL；IR2110；PIDCALCULATION目录摘要ABSTRACT目录1绪论错误未定义书签。11直流电机的发展及设计背景错误未定义书签。12直流电机调速原理错误未定义书签。13系统方案与分析错误未定义书签。14总体硬件电路设计错误
8、未定义书签。2PWM脉宽调制原理错误未定义书签。21PWM调速原理错误未定义书签。22PWM调速方法错误未定义书签。23PWM实现方式错误未定义书签。3硬件部分错误未定义书签。31单片机的选型错误未定义书签。32驱动电路错误未定义书签。321芯片IR2110性能及特点错误未定义书签。322IR2110的引脚图以及功能错误未定义书签。323元器件的选择比较、选型错误未定义书签。33H桥双极性主电路错误未定义书签。34检测回路错误未定义书签。341光电编码器错误未定义书签。342M/T法测速原理错误未定义书签。35键盘及显示电路错误未定义书签。351键盘/显示芯片8279简介错误未定义书签。352
9、键盘设计错误未定义书签。353显示器设计错误未定义书签。36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。41PWM实现方式错误未定义书签。411定时器/计数器错误未定义书签。412PWM产生程序错误未定义书签。42系统程序设计错误未定义书签。421主程序及系统初始化模块错误未定义书签。422中断程序设计错误未定义书签。423中断子程序模块错误未定义书签。43键盘/显示模块设计错误未定义书签。44数字PID控制器错误未定义书签。441PID控制器原理错误未定义书签。442数字PID控制器流程图错误未定义书签。5系统的MATLAB仿真错误未定义书签。51系统的建模与参数设置错误未定义书签
10、。52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。71绪论11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MG电动发电机组,六十年代初,电
11、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
12、速加工中心，它的优势在于进给速度最大值可达762M/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150200M/MIN，能够做到这一点是20多家在汉诺威12EMO展览会上展出自己家公司生产研发的直线电机传动装置，其中做的比较突出的是法国RENAULTAUTOMATION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
13、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
14、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
15、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。12直流电机调速原理直流电机电路模型如图11所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，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11。图11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EAA
16、ACRIUN（11）式AU电枢供电电压（V）AI电枢电流（A）励磁磁通（WBR电枢回路总电阻（）EC电势系数，APNCE60，P为电磁对数，A为电枢并联支路数，N为导体数。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，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。13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PW
17、M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
18、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。14总体硬件电路设
19、计系统总体设计框图图12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PWM2PWM脉宽调制原理21PWM调速原理PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。下式是占空比计算公式TTD121式中1T表示一个周期内开关管导通的时间，T表示一个周期的时间。占空比D表示了在一个周期里，开关管导通的时间与周期的比值，变化范围为10D。由上式可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值为DVVDMAX，因此占空比如果变化的话就可以改变端电压的平均值，从而
20、达到调速的目的，这就是PWM调速原理。如图所示图21PWM信号的占空比根据上图，假如是一直接通电源的话，电机的转速为最大，设为MAXV。现在我们可以通过改变占空比来获得不同的转速，因为DVVDMAX。所以取不同的占空比就能得到不同的转速，即通过占空比来达到调速的目的。22PWM调速方法调速原理如图21所示。通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压。通常有3种方法改变占空比1定宽调频法就是使1T的宽度保持不变，改变2T的宽度，此时周期T（即频率）也发生了变化，也就是所谓的宽度的大小不变，调整频率的大小；2调宽调频法就是使2T的宽度保持不变，改变1T的宽度，此时的周期T（即频率）也发生了变化，也就是
21、所谓的调整宽度的大小和调整频率的大小；3定频调宽法就是使T（即频率）的宽度保持不变，改变1T的宽度，此时2T的宽度也会发生变化，也就是所谓的保持频率不变，调整宽度的大小。从以上三种方法的分析中，选择哪种方法将影响系统的性能，一二种方法比较类似，都是通过改变周期（即频率）的大小来控制占空比，但这样会出现一个问题，一旦系统的固有频率和选择的控制频率比较靠近时，就会引起不必要的振荡，一般很少采用，所以本系统用的是第三种方法。因此，只要控制好脉冲的通电时间，就可以很容易实现控制转速。23PWM实现方式方案一采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个US。方案二采用软
22、件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。故采用方案一。本设计采用单闭环系统，之所以会选择闭环还没采用开环，原因在于闭环相对于开环具有一些比较突出的一些优点，闭环的主要特点在于存在反馈控制，反馈控制的作用表现为如果被控制量偏离给定值，这样的偏差就会被反馈控制通过自己的修正作用去消除。从这一角度看，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。如图22，通过单片机控制器产生PWM矩形波，PWM矩形波经过驱动电路的放大对直流电机进行PWM控制，由速度传感器对电机进行测速，并将测得的速度反馈到输入端即让反
23、馈信号与给定量进行比较。从而达到对直流电机的较为精确的控制。图22直流电机PWM调速系统原理图被控量单片机控制器光电编码器直流电机驱动电路_R给定量PWM矩形波速度反馈Y3硬件部分31单片机的选型综合各方面考虑本次设计采用低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT89S52。它具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52主要性能1
24、、与MCS51单片机产品兼容2、8K字节在系统可编程FLASH存储器3、1000次擦写周期4、全静态操作0HZ33MHZ5、三级加密程序存储器6、32个可编程I/O口线7、三个16位定时器/计数器8、8个中断源9、全双工UART串行通道10、低功耗空闲和掉电模式11、掉电后中断可唤醒12、看门狗定时器13、双数据指针14、掉电标识符AT89S52引脚图图31单片机引脚图AT89S52有6个中断源两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。这些中断每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断
25、允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。AT89S52内部包括了3个16位可编程定时器/计数器及看门狗定时器。16个触发器构成了定时器/计数器的16位，因此可以算出1216为它的最大计数模值。当定时器还是当计数器用，或者当计数器用时它的计数范围，或者当定时器用时它的定时范围，都可以通过它们的工作方式指令来设置，这就是通常所说的可编程。这种可编程是通过TMOD控制器来完成的。32驱动电路功率放大驱动芯片有多种，其中较常用的芯片有IR2110和EXB841，但由于IR2110具有双通道驱动特性，且电路简单，使用方便，价格相对EXB841便宜，具有较高的性价比，且对于直流电机调速使用起来更加简便，因
26、此该驱动电路采用了IR2110集成芯片，使得该集成电路具有较强的驱动能力和保护功能。321芯片IR2110性能及特点IR2110是美国国际整流器公司INTERNATIONALRECTIFIERCOMPANY于1990年前后推出的，它采用了两种技术，分别是无门锁CMOS技术和高压集成电路，它相当于是IGBT和大功率MOSFET的专用驱动集成电路,正是因为具有这种优势，他被广泛应用于马达调速、电源变换等功率驱动领域。这个电路芯片的特点是成本低，偏值电压高DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARUCHARNUMSBITPWMP10VOIDINITTMOD0X01TH065536500/256T
27、L065536500256EA1ET01TR01VOIDT0_TIMERINTERRUPT1TH065536500/256TL065536500256NUMVOIDMAININITWHILE1IFNUM4PWMPWMNUM042系统程序设计421主程序及系统初始化模块主程序完成系统初始化后，实现刷新显示、键盘处理、与上位计算机和其他外设通信等功能，总的来说，它主要完成一些实时性要求不高的功能，如图41。初始化子程序主要是完成一些系统运行参数和变量的初始化和硬件器件工作方式的设定等工作，如图42。图41主程序流程图图42初始化子程序主程序主要要完成的任务是三个方面变量的初始化、内部定时/计数器T
28、0、T1测速和键盘/显示芯片8279。此程序共有2个中断源外部中断0，用于电机故障处理；外部中断1，用于键盘输入处理。有键按下吗系统初始化数据通信刷新显示键处理主程序YN系统初始化设定定时器、PWM、数字测速工作方式参数及变量初始化返回设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式422中断程序设计外部中断0模块设计外部中断0是故障中断，优先级最高。当电机出现问题时向CPU申请中断。响应中断后封锁PWM输出，使电机停转。外部中断1模块设计外部中断1是键盘输入中断，高优先级。当键盘有输入值时，8279向CPU申请中断。读取键值，按其实际功能进行操作。内部定时器T0溢出中断设计转速测定为M/T式编码盘测
29、速，要通过测取给定时间内的编码盘输出的脉冲数。T0用来定时，T1用来计数，T0和T1均工作于方式1。T0定时50MS，单片机的时钟频率为12MHZ，机器周期为1US，423中断子程序模块中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PID调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。图43转速调节中断子程序框图图44故障保护中断子程序框图当故障保护引脚的电平发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节采用定时中断。两种中断服务中，故障保护中断优先级别最高，转速调节中断级别次之。43键盘/显示模块设计键盘/显示模块核心控制器件是8279，由软件设置为8字符显示
30、，左端送入，编码扫描键盘，双键互锁，内部时钟频率设置为100KHZ。按键操作由终端导入，静态显示方式。图45显示子程序选通个位是否选通个位是否选通个位是否选通个位是否显示个位显示十位显示百位显示千位返回延时延时延时分解速度值到显示缓冲区延时显示完毕否是图46测速子程序44数字PID控制器441PID控制器原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术
31、难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（STEADYSTATEERROR）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SYSTEMWITHSTEADYSTATEERROR）。为了消
32、除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会提速N转是否停止记数读计数器值求出此时电机速度值重装记数初值开始记数返回增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后DELAY组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
33、解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。442数字PID控制器流程图数字PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。将模拟的PID算式001UDTTDETDTTETTEKTUTDIP42用求和的方式代替积分；用增量的方式代替微分则可作如下近似KTTK0,1,2,KJKJTEJTJTETDTTE00043进行离散处理有001UEETTETTEKUKJKKDJIKPK44这便是增量式PID算式，由于它的每次输出均与过去有关，计算时要对EK进行累加，故工
34、作量大。因此一般不用位置式PID。对三式稍作推导即得到下式。21KKKKCEBEAEU式中TTTTKADI145TTKBD21TTKCDP46由式看出，如果计算机采用恒定的采样周期T,一旦确定了ABC只要使用前三次TEETTKEKTEDTTDEKK11测量值的偏差，就可以由式求出控制增量。如图47所示图47PID流程图开始计算NK存入46H48H计算ANK存入4CH4EH计算NK存入4CH4EH计算CNK2存入4FH51H计算ANKBNK1存入4CH4EH计算BNK1存入4FH51H否，取NK整数N降速N转更新NK1,NK2是，取NK整数NNK0提速N转返回AT89C51开始图48调速软件系统
35、框图保护现场存放计数器T1中的值是否计够20次累加20次的计数值计算实际转速N60M/ZTC给出PID运算参数TI、TD、KP调用转速调节器运算保存运算结果将实际转速转换成十进制，送入显示RAM显示返回中断重新设定定时器/计数器的初值并启动重新设定定时器/计数器的初值并启动NY5系统的MATLAB仿真本次系统仿真采用控制系统仿真软件MATLAB70，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的SIMULINK工具箱对其进行计算机仿真研究；另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用POWERSYSTEM工具箱进行调速系统仿真的新方法。
36、本次系统仿真采用前一种方法。51系统的建模与参数设置结合本设计的特点，转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图图，如图51图51无静差直流闭环调速系统的框图下面我们将分别给出闭环调速系统各环节的传递函数和闭环调速系统的传递函数。1直流电机的传递函数额定励磁下他励直流电机的等效电路如图52所示图52直流电动机等效电路规定正方向如图所示。假如主电路电流连续，则动态电压方程为EDTDILRIUDDD0NCEE（51）忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为DTDNGDTTLE3752电磁转矩DMEICT（52）式中LT包括电动机空载转矩在内的负载转矩（NM）。2GD电力拖动系统折算到电动机轴上的
37、飞轮惯量（2NM）。MC额定励磁下电动机的转矩系数（NM/A），EMCC30，将上述微分方程式加以整理可得DTDITRIEUDLDD0DTDERTIIMDLD（53）其中L/RTL电磁时间常数；MEMCCRGDT3752电力拖动系统机电时间常数；MLDL/CTI过载电流（A）。在零初始条件下，将上面的等式两边进行拉式变换，得电压与电流之间的传递函数110ST/RESSUSILDD（54）电流与电动势间的传递函数STRSISIESMDLD（55）根据上面两式并考虑EE/CN即可得到额定励磁下直流电动机得动态结构图如图53所示图53额定励磁下直流电动机得动态结构图前面的转速负反馈单闭环调速系统总有
38、静差是因为电压放大器为比例放大器，如果选用比例积分调节器（即PI调节器），PI调节器的输出由两个分量组成，一个是积分分量DTULKINP，它能随时间对输入信号的不断积累，一个是比例分量INPUK，当INU不为零时，积分作用将不断作用下去，输出积累上升，直到限幅最大值，当突加INU时，相当于放大倍数为PK的比例调节器；一旦0INU，输出将保持在此时的数值上，极大的开环放大倍数能够使系统基本无静差，而稳态时PI调节器的放大倍数是它本身的开环放大倍数。积分控制可以使系统在偏差电压为零时保持恒转速运行，实现无静差调速，因此，采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。52电机MATLAB仿真本次
39、设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数KWPN22,VUN220,AIN10,MIN1480R/NN,30SK电动势系数/RV/CEMIN1360他励电压VUF220选取电动机各参数分别为RA51，HLA50，0150KA，0150KB,NMSF20，2030MKGJA分别以电动机电枢电压TUA和负载力矩MDT为输入变量，以电动机的转动速度为输出变量，在MATLAB中建立电动机的数学模型。在MATLAB命令窗口中输入RA15LA05KA01KB01F02JA003G1TFKA,LARAG2TF1,JAFDCMSSG2G1,1DCMFEEDBACKDCM,KB,1,1DCM1TFDCM
40、运行结果为TRANSFERFUNCTIONFROMINPUT1TOOUTPUT10S214S43RTMS1CEUD0（S）IDL（S）NSES1/1LRTSID（S）TRANSFERFUNCTIONFROMINPUT2TOOUTPUT50S200S214S43STEPDCM1TRANSFERFUNCTIONFROMINPUT1TOOUTPUT10S211S11TRANSFERFUNCTIONFROMINPUT2TOOUTPUT50S50S211S11STEPDCM1得到电动机的传递函数1111/10SU/S2SS）（）（带PID调节器的单环无静差调速系统的静态结构图如图54所示。图54无静差调
41、速系统的静态结构图UDUNUN1/CEPIDKSUNIDRNS系统基于MATLAB中SIMULINK的结构图图55系统基于MATLAB中SIMULINK的结构图图56仿真波形图53系统仿真结果分析结束语本文所述的直流电机闭环调速系统是以单片微机AT89S52为核心的，采用单片机对电机实行调整在实际应用中有非常多的方法，本设计使用PWM软件方法对电机实现的调速过程只需非常低的成本并且具有非常大的灵活性，它使单片机的效能得以最大化的发挥，相比于其他方法，如其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行控制调整的方法，使用PWM软件方法对电机实现调速的这种方法对于简易速度控制系统的实现提供了一种
42、非常有效的途径。而在软件方面，采用PID算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环调速系统所不能及的。从控制的理论出发，带PI调节器的单环无静差调速系统，理论上是无差调速系统，单闭环系统的直流电机调速系统性能还有待提高，应用的范围还是很有限的，用MATLAB进行仿真从自控原理的角度出发判断该闭环系统是否稳定，这为参数的修改提供了理论依据。参考文献1陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统M北京机械工业出版社，2011年2王兆安电力电子技术M北京机械工业出版社，2009年3杨学昭，王东云单片机原理、接口技术及应用（含C51）M西安西安电子科技大学出版社，2009年4陈渝光电气自动控
43、制原理与系统M北京机械工业出版社，2007年7童诗白模拟电子技术基础M北京高等教育出版社，2003年8康华光电子技术基础数字部分M北京高等教育出版社，2004年10王海英，袁丽英，吴勃控制系统的MATLAB仿真与设计M北京高等教育出版社，2009年11胡寿松自动控制原理简明教程第二版M北京科学出版社，2008年12陈国呈PWM逆变技术及应用M北京中国电力出版社，2007年13马忠梅单片机的C语言应用程序设计M北京北京航天航空大学出版社，2007年14刘昌华，易逵8051单片机的C语言应用程序设计与实践M北京国防工业出版社，2007年致谢这次毕业设计，凝结了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没
44、有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢梅杨老师对我的悉心指导，在毕业设计期间曲老师指导我、帮助我收集文献资料，理清设计思路，完善操作方法，并对我所做的设计提出有效的改进方案。老师渊博的知识、严谨的作风、诲人不倦的态度和学术上精益求精的精神让我受益终生。作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。因此，特别需要感谢梅杨老师给予的耐心细致的指导，在此，再一次向梅教师以及关心帮助我的教师同学表示最诚挚的谢意其次，学校在这方面也给我们提供了很大的支持和帮助，学校领导比较重视，每个设计小组配有专门的指导老
45、师，帮助我们能顺利完成整个设计。对于学校和老师为我的毕业设计所提供的极大帮助和关心，在此我致以衷心的感谢最后，还要感谢同学四年来对我的关心与支持，感谢各位老师在学习期间对我的严格要求。同时也要感谢身边朋友的热心帮助，没有你们的关心与支持，我不可能这么快完成我的毕业设计这几个月的岁月是我学生生涯中最有价值的一段时光，也将会成为我以后永远的美好的回忆，在这里有治学严谨而不失亲切的老师，也有互相帮助情同骨肉的同学，更有和谐、融洽的学习生活氛围，这里将是我永远向往的地方。借此论文之际，我想向所有人表达我的最诚挚的谢意，愿我们将来都越来越好。附录附录三源程序/直流电机的PWM控制程序/功能直流电机的速度
46、控制，速度测试，速度显示。/INCLUDE/包含头文件INCLUDEDEFINEGWDBYTE0X40/定义显示缓冲区个位DEFINESWDBYTE0X41/十位DEFINEBWDBYTE0X42/百位DEFINEQWDBYTE0X43/千位DEFINEUNINTUNSIGNEDINT/自定义变量DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITIN1P30/控制位定义SBITIN2P31SBITENAP37UCHARCODEZM120X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F,0X73,0X71/在程序存储区定义字型码表UCHARCO
47、DEWM40XFE,0XFD,0XFB,0XF7/在程序存储区定义字位控制码表UCHARA8/占空比控制字UCHARN1/速度增减量一UCHARM2/速度增减量二UNINTSPEEDBUF0/速度值UCHARZC0UNINTYS0KEY/子函数声明DISPLAYCONTROLDELAYSSPEEDCAN/主函数/MAINGWSWBWQW0/显示初始化P00XC0P20IN10/电机控制的初始化IN20ENA1TMOD0X15/定时器1为定时模式,使用方式2定时器0为计数模式,使用方式2TH10XFA/装定时器初值TL10X24TH00/装计数器初值TL00EA1/开总中断ET01/允许定时器0
48、中断ET11/允许定时器1中断TR01/开计数器TR11/开定时器WHILE1/无限循环KEY/调用按键扫描程序CONTROL/调用电机控制程序DISPLAY/调用显示程序SPEEDCAN/调用速度处理程序/中断处理程序,实现输出方波占空比控制/TIMER_1INTERRUPT3USING1/定时器1中断,使用寄存器组1TR10/停止定时ZC/中断次数加1YSCONTROLSPEEDCANTH10XFA/重装定时初值TL10X24TR11/脉宽控制程序,实现PWM的输出/CONTROLIFZCAENA0IFZC15ZC0ENA1/显示子函数,显示当前电机的速度/DISPLAYUCHARIGWSPEEDBUF10/求速度个位值送各位显示缓冲SWSPEEDBUF/1010/求速度十位值送十位显示缓冲BWSPEEDBUF/10010/求速度百位值送百位显示缓冲QWSPEEDBUF/1000/求速度千位值送千位显示缓冲FORI0I0I/键盘扫描子函数,实现电机的方向速度的控制/KEYUCHARIP10XFF/拉高P1口的电平IP1/读P1口IFI0XFE/第一个键按下DELAYS/延时去抖动IFI0XFE/再判断按键是否按下IN10/电机顺时针转动IN21
