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第 I 页 摘 要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。 特别是在直流电动机广泛应用的电气传动领域，起到至关重要的作用。直流电动机因为具有良好的调速性能和比较大的起动转矩，一直被应用在电气领域，尤其是在需要调速性能很高的场所。在制造业、工农业自动化、铁路与运输等行业都被广泛的应用，随着市场的竞争力，对直流电动机的需求也越来越高，同时对直流电动机的调速性能也有了更高的要求。因此，研究直流电动机转速控制系统的调速性能有着很重要的意义。 在本次 的设计中采用 制直流电动机转速。 冲受到 法的控制，被用来控制直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式传感器，将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统，改变不同占空比的 冲就可以实现直流电动机转速控制。 本论文对每一个方案的选择都进行详细的论述，在软件和硬件部分都进行了模块化。硬件部分首先给出一个以 片机为核心的整体结构图，并对驱动电路、显示电路等模块进行详细的阐述。在软件部分给出整体程序流程图，对 法程序、 显示程序等模块详细的阐述。本次系统设计的具有抗干扰能力强、性价比高、维修简单方便等优点。 关键词 ： 片机；直流电动机；转速控制 第 in of As of an in in C is in of DC of in in of Is in of of C is of C it is to of C In WM C is by ID is to C At on of C C is a to a of WM C In of in in In of we a as in In WM in of so DC 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题背景 . 1 题研究的目的和意义 . 2 设计的内容及意义 . 2 . 2 . 2 流电动机转速控制系统原理 . 3 冲控制原理 . 4 . 5 本原理 . 6 章小结 . 8 2 系统整体方案 . 9 统设计任务与设计要求 . 9 . 9 . 9 统方案论证 . 9 . 9 . 10 . 10 . 10 . 11 . 11 统的组成 . 12 章小结 . 12 3 硬件系统设计 . 13 片机最小系统 . 13 . 13 振电路 . 14 位电路 . 15 立式键盘电路 . 15 晶显示电路 . 16 源电路 . 16 动机驱动电路 . 17 目录 电式传感器测速电路 . 18 章小结 . 19 4 系统软件设计 . 20 统模块主程序设计 . 21 始化模块程序 . 21 键扫描模块程序 . 23 晶显示模块程序 . 25 动 机调速模块程序 . 26 章小结 . 29 5 样机硬软件调试 . 30 机 硬件调试 . 30 件焊接与整板调试 . 30 . 30 件调试与硬件调试实验 . 31 . 31 . 31 试遇到的困难 . 32 章小结 . 32 6 结论 . 33 致 谢 . 34 参考文献 . 35 附录一 直流电动机转速控制系统设计原理图 . 36 附录二 直流电动机转速控制系统设计 . 37 附录三 直流电动机转速控制系统设计 C 语言原程序 . 38 附录四 元件清单 . 43 第 1 页 共 43 页 1 绪论 题背景 近年来直流电动机飞速的发展。而今市场上有各类各样的直流电动机，场合不一样使用者不一样的电动机。大到如医疗器械、航空业、工农业自动化、制造业、加工业等；小到家庭里的家用电器和电子产品等，绝大部分都使用直流电动机。随着微机技术和电力电子技术的相结合，对自动控制系统的控制性能了提出了更高的要求，特别是在电气传动领域的直流电动机调速控制 。对调速系统性能要求高的有汽车、电梯、车床、航空工业、高铁等领域，特别是国防领域中坦克、雷达、火炮、战斗机等应用很广泛。直流电动机转速控制主要由四个部分构成：控制器部分、功率输出部分、反馈部分、电动机部分。为了满足工业生产、制作工艺、提高档次等需要，这些不同的部分组合，可以得到调速多样化的调速系统。 近三十年来，直流电动机在电气传动方面发生了显著的改变。首先，出现了整流器的时代，可控硅整流装置取代了传统使用的直流发电动机、电动机组及水银整流装置使得直流电动机的发展又向前迈进了一大步。与此同时，控制电路已经发 展成集成化，具有体积小，可靠性高，成本低的特点。这些技术的使用，使直流电动机调速系统的性能有明显的改善，应用范围变得更加广泛。直流电动机调速技术正在不停的改善，相信在将来会逐渐的变成一项极其重要的调速技术和重要的研究课题。 在直流电动机控制方面，微机控制器和专门的 制芯片的使用也占有很重要的作用，它们是为了提高直流电动机调速性能被专门制造出来。整篇文章是对基于单片机的直流电动机转速控制进行了进一步的研究。从直流电动机的调速原理开始，逐渐的建立了一个以 速系统的闭环反馈控制模型，同时结合制 算法，将微机技术和自动控制系统相结合并且应用在直流电动机调速系统中。微机有体积小、能耗低、功能强大等特点，并且还有很多的外接口来接外围电路，运算速度快等优势。将它们相联结就可以组成一个闭环反馈转速控制系统。运用微机技术时，分别对显示电路、测速原理、驱动电路等模块进行了硬件和软件上的阐述。 随着电力电子技术和计算机控制技术的突飞猛进，微机技术也据有更重要的作用。目前的发展趋势是以微机控制技术为核心的各种自动控制系统，利用计算机可以将复杂的控制规律简单化，更加能够容易的构建数学模型。以计算机为核心的微机控制技术 ，被广泛的应用在直流电动机转速控制系统中，不仅调高系统的可靠性、抗干扰能力、稳定性。 第 2 页 共 43 页 题研究的目的和意义 在现代社会中，自动控制系统已经遍及到我们生活领域的各个方面，例如在医疗器械、汽车制造业、铁路运输业、煤矿业、轮船业、电力行业、加工业等多个领域。而这些设备的动力绝大部分都是由直流电动机提供，因此在工业领域中直流电动机的应用是非常广泛的。在那么多种类的电动机中，只有直流电动机有良好的起动性和调速性，所以在对起动性和调速性较高的场所被广泛的应用。因此在电气传动领域继续研究直流电动机调速这一课题依然 很重要。 该系统是基于单片机的直流电动机转速控制系统，它可以分为四大组成模块：单片机主控核心模块、转速数据采集模块、设定和显示模块、功率控制输出模块。本次的设计思路是：采用 片机为主控核心，根据设定的转速产生 冲，控制电动机转动。测得的实际转速和设定的转速相比较，会产生一个转速偏差， 制算法会根据转速偏差，改变 冲的占空比，从而调节直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式感器，并将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统。 通过基于单 片机的直流电动机转速控制系统设计，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计直流电动机的转速控制、直流电动机的驱动和液晶显示等外围电路，采用 用到所学有关电动机等相关理论知识，结合实际设计的电路，做到理论结合实际。同时能够掌握的基本自动控制技术和微机控制技术。 设计的内容及意义 （ 1）转速数据采集模块 （ 2）设定和显示模块 （ 3）功率控制输出模块 （ 4）电源模块 （ 5）电动机驱动模块 （ 6）单片机 最小系统模块 电动机作为最主要的电能转换成机械能的转换装置，它的应用已经遍及各行各业和我们的日常生活。无论在航空工业、制造业、铁路运输等领域，绝大部分都是在使用直流电动机来提供动力。很多对直流电动机都采用模拟法来调速控制，以致出现很多直流电动机转速控制结构简单的应用。在本次的设计中，主要 第 3 页 共 43 页 对直流电动机进行转速控制和正反转控制，采用闭环反馈控制系统。 同时通过基于直流电动机的转速控制设计，培养设计并实现自动控制系统的能力，能够使理论结合实际，检验自己的电路基本知识，加深对自动控制理论的理 解。 流电动机转速控制系统原理 自动控制一般都是闭环控制，所谓的闭环控制系统，指的是根据被控对象输出反馈来进行校正的控制方式， 它是将实际的测量值和设定值相比较，从而产生一个偏差值，根据偏差值得进行校正 。在闭环控制系统中，将输出量变化的偏差值作为比较量反馈给控制端以改变输入量的大小，通常偏差值和输入量恰恰相反，所以也叫做负反馈控制。在直流调速系统中，被调节量是转速，构成的系统是转速闭环反馈控制的直流调速系统 图 1示是具有转速闭环反馈控制的直流电动机调速系统，被调量是转速n ，给定量是给定电压 *在电动机轴上安装测速发电动机用以得到与被测转速成正比的反馈电压*统将产生一个偏差电压值然后经过比例放大器 A，将产生电力电子变换 得到的控制电压调速系统中，比例放大器又称做比例 （ P） 调机器。从统的结构与开环调速系统相同，而闭环控制系统和开环控制系统的主要差别就是在于转速 n 经过测量元件反馈到输入端与控制。 电力电子变换器 0d s U直流电动机 0 电压比较环节 *n n U 比例调节器 c p U测速反馈环节 上述各关系式中新出现的系数： 比例调节器的比例放大系数； 转速反馈系数（ r）。 第 4 页 共 43 页 图 1速闭环反馈控制直流电动机调速系统图 根据各环节的稳态关系关系式可以画出闭环系统的静态结构框图，如图 1示，方框中的文字符号代表该环节的放大系数。 图 1速闭 环反馈控制直流电动机调速系统静态结构框图 冲控制原理 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即指窄脉冲的面积 1。 效果基本相同，指的是在惯性环节上输出的响应波形基本相同。在低频段的时候极其接近，但是在到了高频段的时候差异有些大。 图 1量相同形状不同的窄脉冲 在 路中分别用图 1的每一个窄脉冲加在上面，从图 1-4 b 的响应波形* *nUM f ( t )0 t )0 t )0 t )0 第 5 页 共 43 页 可以看出不同形状相量相等的窄脉冲和输出电流 ()变化。从波形上我们可以 看出， ()的形状会随着 ()上升部分而有差异，反而在下降部分基本相同。我们可以得出结论，脉冲取得越窄越好，这样得到的 ()应波形的之间差别就越小。如果有规律的加上脉冲， 响应 ()跟着有规律。 响应 () 傅里叶级数分解以后，我们可以看到在低频段时 ()应波形的差别很小，只有在高频段有差别很大。 图 1量相同的各种窄脉冲的响应波形 用正弦半波来替代那些幅度一样宽度不一样的脉冲，正弦半波被分成 N 等分，这些 N 个等分相连的脉冲序列，只是幅值不相等，宽度仍然相同 2。以致我们可以用矩形脉冲来代替幅值不相等，宽度相同的冲量相等，宽度还是按照正弦波的变化规律。 按照一定的规律导通和关断电源，只要改变电源导通和关断的时间比（占空比）就可以调节直流电动机的枢纽电压。直流电动机的转速会跟随者枢纽电 压的大小而改变，这就是 速控制的基本原理。在 速系统中，电动机的通断时间可以控制转速，因此只要我们有规律的改变供电电压导通和关断的时间就可以控制电动机的转速。 成的直流电动机调速系统，无论是停止或者起动，对系统没有冲击起动时功耗不大、电动机运行很稳定。 由 制的基本原理我们可以得到这样一个结论：在一个时间段内将 同一时间内将冲量相等的电流加在负载上的电压效果是一样的。假如时间段 T 内的脉冲宽度为0t， U 为幅 值，就可以达到 T 时间内等效直流电压为： 第 6 页 共 43 页 图 1冲 00 ； 若令 0 ， 即为占空比，则上式可化为： 0(U 为脉冲幅值 ) （ 1 假如 冲像如图 1示的周期性的矩形脉冲，我们就可用 （ 1的式子计算出直流电动机调速所需要的电压，即 000 n t U T （ 为矩形脉冲占空比） （ 1 图 1周期性 形脉冲 通过 （ 1的式子可知，只要改变占空比 和脉冲幅 值 U 的大小 ，就可以调节等效直流电压值。在我们实际的系统中脉冲的幅值通常是恒定的，所以我们只要改变占空比 的大小，就可以任意改变直流电动机电枢电压 U 的大小。从而实现冲调制的直流电动机转速控制的作用。 本原理 自动控制设计中应用最经典最广泛的一种算法是 制算法。加入 制器的系统，在自动控制方面可以得到最优的效果。 P、 I、 D 三个参数有着不同的作用，它们分别的作用 ： P 是加快系统反应时间，使误差减小； I 是消除稳态偏差； D() 0 第 7 页 共 43 页 是抑制动态偏差。在调 试的时候，整定 P 的参数，让系统达到基本的加快调节和误差减少的作用。然后在再整定 I 的参数，使误差为 0，最后再整定 D 的参数。 数整定的时候要反复去调试，这样才会使控制系统得到最优的效果。 1示。位置式和增量式在不考虑限幅时，它们的算法是一样的。如果考虑限幅，它们还是存在差异的，增量式只需要输出限幅；位置式必须要考虑设置积分和输出限幅，两者缺一不可。如果没有把积分限幅加入，控制系统会产生退饱和超调，导致系统不稳定。 图 1置型示意 图 图 1量型示意图 由位置算法求出： 01( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n t K e t e t e t e t （ 1 在求出： 1 01( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )n t K e t e t e t e t （ 1 为了得到增量式的控制算法，将上述的式子 （ 1与式子 （ 1相减。 ( ) ( ) ( 1 )u t u t u t ( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )p I DK e t e t K e t K e t e t e t e t （ 1 式子 （ 1称为增量式 法。 将 （ 1的式 子整理后，得到： 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u t q u t q u t q u t （ 1 其中： 0 (1 )T （ 1 1 (1 2 ) （ 1 第 8 页 共 43 页 2 （ 1 从上述分析的结果得出，我们可以看出每一次的误差量对控制系统产生的作用。因此，对于 法，我们只需要保存和提取最近的三个误差采样值，它们分别是 () ( 1)、 ( 2)）就可以了。 章小结 本章主要介绍了直流电动机的研究背景和研究的目的。同时也简单的介绍了直流电动机的调速原理、数字 下文的硬件和软件部分提供了基本的理论知识。 第 9 页 共 43 页 2 系统整体方案 统设计任务与设计要求 （ 1）了解 51 单片机 在实际中的应用，如何编辑程序，并烧录到单片机中 ； （ 2）了解本次设计中应用到的单片机内部具有的资源、功能、结构等方面 ； （ 3）了解如何在实际中应用 术和 制算法 ； （ 4） 了解 直流电动机调速 的原理。 （ 1）完成单片机最小系统设计； （ 2）完成外围应用电路（包括 单片机主控核心模块、转速数据采集模块、设定和显示模块、功率控制 输出模块 ） 的 设计和实现； （ 3） 直流电动机初始速度为零，额定负载时，要求系统的单位阶跃响应超调量 =10&00; #1=; 2=; 3=; 4=; 5=; 21; 22; N=; ; ; ,; ; ; ; /设定速度 p,d;/d,T; / 数定义 ek, /误差参数定义 k; /*中断初始化程序 */ 65536256; 65536256; ; 56 56; 1; 1; ; ; ; 第 39 页 共 43 页 /*增量式 制程序 */ /偏差值 if(10&00; /抗积分饱和 00; if( ; /*外部中断服务程序 */ / 外中断 0 服务函数，脉冲计数 /测速周期内每次来个脉冲 0_ ; 第 43 页 共 43 页 附录四 元件清单 编号 型号、规格 描述 数量 编号 型号、规格 描述 数量 k 1/4W 电阻器 1 片电容器 1 0k 电阻排 1 0片电容器 1 0k 滑动电阻 1 片电容器 1 k 1/4W 电阻器 1 解电容器 1 0k 1/4W 电阻器 1 0片电容器 1 光二极管 2 片电容器 1 流二极管 4 00解电容器 1 源插座 1 2源晶振 1 晶显示屏 1 脚开关 1 针座 1 脚按键 6 单排针座 1 7805端稳压器 1 单排针座 1 片机 1 单排针座 1 289N 电动机驱动 芯片 1 三脚插针 1
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