1、精品基于单片机的直流调速系统的设计毕业论文设计 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
2、统构成、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仿真和分析。摘 要本文主要研究了利用AT89S52单片机控制P
3、WM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
4、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 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It
5、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 part includes display circuit,measuring circuit,keyboard ci
6、rcuit;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 of rotation of D.C. motor. Whats more, is used in this syste
7、m 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 converter after passing the filtering circuit, and finally the
8、 feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PIDcalculation. Key words: PWM signal；IR2110；PID calculation摘要 ABSTRACT 目录 1 绪论 11.1直流电机的发展及设计背景 11.2直流电机调速原理 21.3 系统方案与分析 31.4总体硬件电路设计 42 PWM脉宽调制原理 52.1 PWM调速原理 52.2 PWM 调速方法 52.3 PWM 实现方式 63硬件部分 73.1单片机的选型 73.2驱动电路 83.2.1
9、 芯片IR2110性能及特点 83.2.2 IR2110的引脚图以及功能 93.2.3 元器件的选择比较、选型 103.3 H桥双极性主电路 103.4检测回路 133.4.1 光电编码器 143.4.2 M/T法测速原理 153.5 键盘及显示电路 163.5.1键盘/显示芯片8279简介 163.5.2键盘设计 163.5.3显示器设计 173.6电源电路 184系统软件设计 204.1 PWM实现方式 204.1.1 定时器/计数器 204.1.2 PWM产生程序 214.2 系统程序设计 224.2.1主程序及系统初始化模块 224.2.2 中断程序设计 224.2.3 中断子程序模块
10、 234.3键盘/显示模块设计 234.4数字PID控制器 254.4.1 PID控制器原理 254.4.2 数字PID控制器流程图 265系统的MATLAB仿真 295.1 系统的建模与参数设置 295.2电机Matlab仿真 31结 束 语 34参考文献 35致 谢 36附 录 371 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
11、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。 时代在进步，各种各样的深入
12、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150200 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机传动装置，其中做的比较突出的是法国R
13、enault 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
14、，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
15、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、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。
16、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： （1-1）式 -电枢供电电压（V） -电枢回路总电阻（） -电势系数，为电磁对数，为电枢并联支路数，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
17、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
18、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
19、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2 PWM脉宽调制原理2.1 PWM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： (2-1) 式中表示一个周期内开关管导通的时间，表示一个周期的时间。占空比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。由上式可知，当电源电压
20、不变的情况下，电枢的端电压的平均值为，因此占空比如果变化的话就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。如图所示： 图2-1 PWM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。现在我们可以通过改变占空比来获得不同的转速，因为。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。2.2 PWM 调速方法调速原理如图2-1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：就是使的宽度保持不变，改变的宽度，此时周期（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
21、宽调频法：就是使的宽度保持不变，改变的宽度，此时的周期（即频率）也发生了变化，也就是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（即频率）的宽度保持不变，改变的宽度，此时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。2.3 PWM 实现方式方案一：采用定
22、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2-2，通过单片机控制器产生PWM矩形波，PWM矩形波经过驱动
23、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2-2直流电机PWM调速系统原理图3硬件部分3.1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
24、中得到广泛应用。 AT89S52主要性能：1、与MCS-51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：0Hz-33MHz 5、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3-1 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
25、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。3.2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
26、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。3.2.1 芯片IR2110性能及特点 IR2110是美国国际整流器公司(International Rectifier Company )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( 600V)，集成度高(可驱动同一桥臂两
27、路) ，体积小(DIP14 )，响应快( ton/tof= 120/94 ns)，而且驱动能力强, 内设欠压封锁，易于调试,除此之外，它还拥有外部保护封锁端口。为了使得驱动电源路数目较其他IC驱动大大减小，它的上管驱动采用外部自举电容上电。只需一路10一20V电源，2片IR2110驱动2个桥臂就能应对4管构成的全桥电路，这样做的优点很多，提高了系统的可靠性，降低了产品成本，大大减小了控制变压器的体积和电源数目。 3.2.2 IR2110的引脚图以及功能图3-2 IR2110管脚图 IR2110使用了两种工艺，分别是闩锁抗干扰CMOS工艺和HVIC，不管是高端还是低端，他们的输出通道都是独立的；
28、但是与标准的CMOS输出比较起来，它的逻辑输入是兼容的；并且自举电路用于浮置电源，500V是它工作电压可以达到的最大值，du/dt=50V/ns，当条件为小于等于15V时，只有1.6mW是它的静态功耗；1020V的电压范围为输出的栅极驱动电压，515V的电压范围就是它的逻辑电源电压，存在电压偏移的是逻辑电源，5V5V就是它的电压偏移范围。CMOS施密特触发被应用于IR2110输入，滞后欠压锁定存在于两路。正是因为采用了推挽式驱动所以使得大于等于2A成为它的输出峰值电流，如果1000pF就是它的负载时，那么25ns就是它的开关时间。120ns为两路匹配传输导通延时，94ns为关断延时。可以承受反
29、向电流的是IR2110的脚10，它最大能够承受2A的反向电流。 图3-3 IGBT驱动电路3.2.3 元器件的选择比较、选型本设计采用IGBT，IGBT作为大功率的电路驱动器件，具有以下优点： (1)IGBT在正常工作时，导通电阻较低，增大了器件的电流容量。 (2)IGBT的输出电流和跨导都大于相同尺寸的功率MOSFET。 (3)较宽的低掺杂漂移区（n-区）能够承受很高的电压，因而可以实现高耐压的器件。 (4)IGBT利用栅极可以关断很大的漏极电流。 (5)与MOSFET一样，IGBT具有很大的输入电阻和较小的输入电容，则驱动功率低，开关速度高。虽然当IGBT关断（栅极电压降为0）时，IGBT
30、的漏极电流也就相应地不能马上关断，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾关断时间较长（1050ms），所以IGBT的工作频率较低。但这本设计中IGBT仍然是本设计驱动的最理想器件。 IGBT型号选择：（1）IGBT承受的正反向峰值电压： （3-1）考虑到2-2.5倍的安全系数，可选IGBT的电压为900V。 （2）IGBT导通时承受的峰值电流: （3-2） 额定电电压按220V供电电压、额定功率10kVA容量算。在计算出（或测出）最大电压后，再留有20%30%的裕量，选用的IGBT型号为三菱公司的CT60AM-18F，其耐压值为900V，最大峰值电流30A，完全满足设计要求。3.3 H桥双极性主电
31、路 从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，VT1、VT4或者VT2、VT3是不可能持续、不间断的导通的。我们可以采取双PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。 将IC1的HIN端与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。在HIN为高电平期间，VT1、VT4导通，在直流电机上加正向的工作电压。其具体的操作步骤如下：电源经VT1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过VT4到达零电位，完成整个的回路。此时直流电机正转。在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，VT2、VT3导通，在直流电机上加反向工作电压。其具体的操作步骤如下：电源经VT3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过VT2到达零电位，完成整个的回路。此时，直流电机反转。因此电枢上的工作电压不是单极性的矩形脉冲波形，而是双极性矩形脉冲波形，电动机的转速和转向是由矩形脉冲电压的平均值来决定的，原因在于存在着机械惯性的缘故。设PWM波的周期为，HIN为高电平的时间为，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为。HIN信号的
