毕业设计（论文）-基于单片机的直流电机调速系统的设计.doc

黑龙江大学本科生毕业设计说明书论文题目： 基于单片机的直流电机调速系统的设计学 院： 机电工程学院 年 级： 2006 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 2010年 5 月 19日摘 要本文主要介绍了基于单片机的直流调速系统，确定了直流电机速度控制系统的基本设计方案。本设计以8051单片机为核心，以小型直流电机为对象，以44矩阵键盘作为输入，led显示输出，从而实现了直流电机的启停、速度和方向的控制。本设计分析了对直流电机进行速度测量的原理，采用了pwm技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。实时测量电机的实际转速，并在led数码管上显示出来，并对电机进行pid转速调节，使其转速趋近于设定值。该系统解决了以往复杂的模拟电路设计问题，增强了对直流电机速度的可控性，提高了调速系统的精度。 关键词单片机；直流电机；pwm；pid算法abstractthis paper introduces the dc motor speed control system based on 8051 single chip computer, and determines the basis scheme of this system. the system takes 8051 single chip computer as a core device,dc motor as a plant,4*4 keyboard matrix as an input device, led as an output device ,then this system can achieve the operation of the start-stop, speed and direction.this design analyzes to carry on the principle of the speed measures to the dc motor, uses the pwm technology to control the motor, and through the computation of dutyfactor to achieve the precise velocity modulation to get the goal. measured the motors actual rotational speed by the real-time, showed it on the led nixie tube and carried on the pid rotational speed adjustment to the motor, caused its rotational speed approach to the setting value. this system has solved formerly the complex analogous circuit design problem, strengthened to the dc motor speed controllability, and increased the velocity modulation systems precision.key wordssingle ship computer; dc motor; pwm; pid algorithm目 录摘 要iabstractii第一章绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究方法2第二章 8051单片机简介32.1 单片机概述32.2 8051单片机引脚图及引脚功能42.3 8051单片机的特点及基本组成52.4 8051单片机中央处理器模块及内部结构72.5 8051单片机的片外总线结构及并行i/o口10第三章 系统硬件电路设计133.1 总体方案设计133.2 直流电机的工作原理和调速方法143.3 转换电路163.4 转速测量电路183.5 数码管显示电路19第四章 pwm信号发生电路设计204.1 脉宽调制(pwm)的基本原理204.2 pwm波形发生电路224.3 pwm脉冲波的产生234.4 干扰问题的处理23第五章 系统软件设计255.1 主程序设计255.2 pid算法265.3 源程序27结论36参考文献37致谢38基于单片机的直流电机调速系统的设计第一章绪论1.1 课题研究背景在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速范围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。早期的电机电枢电压调节法采用串联电阻调速法，这种方法耗能大、且调速不太平稳，逐渐被其他调速装置代替。以后又出现了晶闸管、mosfet，igbt等为主控元件的调速装置。电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入一个新的阶段。传统的晶闸管直流调速系统控制回路的硬件设备极其复杂，安装调试困难，相对故障率较高，维修比较困难.而采用单片机控制的电机调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。而当今，单片微型计算机的功能不断加强，运算速度不断提高，价格降低且可靠性增强，数字控制技术的迅猛发展，给电力拖动自动控制系统增添了新的技术手段，数字控制可由通用的单片微型计算机来实现，单片微型计算机除完成数字运算外，还可以实现pid以及其它各种特殊的控制规律，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律，同时对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警和打印报表等。通过分时采样还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器装置由模拟向数字化发展提供了契机。因此,电动机速度控制器采用以单片机为核心的数字控制系统是电气传动发展的主要方向之一。一般直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对直流电动机进行供电，通过改变电路的输出电压从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。当前，在世界范围内，一个以微电子技术，计算机和通信技术为先导的，以信息技术和信息产业为中心的信息革命方兴未艾。随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使直流调速控制的各种功能几乎均可通过基于微处理机的控制器硬件结合软件模块来加以实现，即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展，乃至实现全数字化的直流调速控制系统。直流电动机调速系统通过单片机控制可实现人机对话，极大地提高设备的自动化程度，能提高生产率、可靠性与柔性。在数字化系统中除具有常规的调速功能外，还可实现故障报警、诊断及显示等功能。1.2 课题研究方法本文主要研究了利用mcs-51系列单片机，以pid 调节算法为基础，完成对直流电机转速的调节，达到了较好的控制性能，而且成本低廉。脉宽调制本质上是一种电压调速，它结合其他元件改变电机电枢在一定周期内的导通时间，调节电机两端的平均电压，达到调节电机速度的目的。采用脉宽调制控制电机电枢的通断与串电阻调节法相比，减少了电能在电阻中的损耗，能够节约能源。在硬件电路的搭建上，一般采用闭环控制方式。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。pwm控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。脉宽调制调速法突破传统的串电阻调速，节省了电能。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文中采用了专门的芯片组成了pwm信号的发生系统，通过运算放大器来驱动电机。利用一组鼠标用的红外对管测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给a/d转换芯片最后反馈给单片机，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。第二章 8051单片机简介2.1 单片机概述单片微型计算机简称为单片机，又称为微型控制器，是微型计算机的一个重要分支，自70年代问世以来，以及其高的性能价格，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而设计的，常用在工业的检测、控制装置中，因而也称为微控制器（micro-controller）或嵌入式控制器（embedded-controller）。intel公司单片机是目前应用最广、品种最多的单片机。在80年代初又推出了mcs-51系列的高性能的8位单片机。hmos制造工艺的mcs-51单片机都采用40引脚的直插封装（dip方式），制造工艺为chmos的80c51/80c31芯片除采用dip封装方式外，还采用方型封装工艺。其中方型封装的chmos芯片有44只引脚，但其中4只引脚，即标有nc的引脚1、12、23、34是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于chmos芯片。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（i/o）引脚。单片机按照其用途可分为通用型和专用型两大类。通用型单片机是把可开发资源（如rom、ram、eprom、i/o口）全部提供给使用者。专用型单片机其硬件结构和指令是按照某个特定用途而设计的。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和i/o接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的cpu功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：第一阶段（19761978）：单片机的探索阶段。以intel公司的mcs-48为代表。mcs-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有motorola、zilog等都取得了满意的效果。这就是scm的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。第二阶段（19781982）：单片机的完善阶段。intel公司在mcs-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列mcs-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。第三阶段（19821990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。intel公司推出的mcs-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后单片机的发展趋势将是进一步向着cmos化、低功耗化、低电压化、低噪声与高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低价格化、外围电路内装化和串行扩展技术。随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小和功能将更强1。2.2 8051单片机引脚图及引脚功能 图2-1 8051单片机引脚图 图2-2 8051单片机引脚功能图单片机引脚图及引脚功能图分别如图2-1、图2-2所示。各引脚功能如下：1）电源引脚vcc和vss： vcc：电源端，接5v。 vss：接地端。2）时钟电路引脚xtal1和xtal2： xtal1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部ttl时钟时，该引脚必须接地。xtal2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部ttl时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许ale： 系统扩展时，ale用于控制地址锁存器锁存p0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。3）外部程序存储器读选通信号psen： psen是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端ea /vpp：当ea为高电平时，cpu执行片内程序存储器指令，但当pc中的值超过0fffh时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当ea为低电平时，cpu只执行片外程序存储器指令。 4）复位信号rst： 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。2.3 8051单片机的特点及基本组成单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到了各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，有如下特点：有小巧灵活、成本低、易于产品化，可靠性好，适应温度范围宽，易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强，可以很方便地实现各种控制功能使用指令。一个8051单片机包含下列部件:（1）一个8位微处理器cpu。（2）片内数据存储器ram和特殊功能寄存器sfr。（3）片内程序存储器rom。（4）两个定时/计数器t0、t1，可用作定时器，也可用以对外部脉冲进行计数。（5）四个8位可编程的并行i/o端口，每个端口既可作输入，也可作输出。（6）一个串行端口，用于数据的串行通。（7）中断控制系统；（8）内部时钟电路。其基本组成如图2-3所示。图2-3 8051单片机基本组成图计算机的一条指令由若干个字节组成。执行一条指令需要多长时间则以机器周期为单位。所谓一个机器周期是指cpu访问存储器一次所需要的时间。例如取指令、读存储器、写存储器等等。每个机器周期由6个状态周期组成，即、，而每个状态周期由两个时相组成（即为2个主振荡周期）。所以一个机器周期可依次表示为、。一般情况下，算术逻辑操作发生在时相期间，而内部寄存器之间的传送发生在时相期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用xtal2振荡信号作参考，而ale可作为外部工作状态指示信号用。1）单片机的振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期相互关系如图2-4所示。图2-4 单片机各种周期的相互关系振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。时钟周期：振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，为振荡周期的2倍。 机器周期：完成一个基本操作所需的时间，通常为12个振荡周期。指令周期：指cpu执行一条指令所需要的时间，一个指令周期通常含有14个机器周期。 2) 单片机时钟电路通常有两种形式，如图2-5所示。内部振荡方式：8051单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。 图2-5 单片机的振荡方式2.4 8051单片机中央处理器模块及内部结构中央处理器是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。中央处理器主要由运算部件和控制部件组成。下面我们把中央处理器功能模块和有关的控制信号联系起来加以讨论，并涉及相关的硬件设备。(1)运算部件它包括算术、逻辑部件alu、布尔处理器、累加器acc、寄存器b、暂存器tmp1和tmp2、程序状态字寄存器psw以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。 mcs-51单片机的alu功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘除运算的需要，设置了b寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算指令时，b中存入除数及余数。mcs-51单片机的alu还具有一般微机alu，如z80、mcs-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与cpu中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（psw）中的进位标志cy作为位操作的“累加器”。 运算部件中的累加器acc是一个8位的累加器（acc也可简写为a）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是acc的进位标志cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。 mcs-51单片机的程序状态psw，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息。内部结构如图2-6所示。图2-6 8051单片机内部结构图(2)控制部件 控制部件是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主频率为基准发出cpu的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ale，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号ea，以及片外取指信号psen。8051在物理上有3个存储器空间：1)片内数据存储器ram 。2)片外数据存储器ram 。3)程序存储器rom 。程序存储器rom地址空间为64kb，片外数据存储器ram也有64kb的寻址区，在地址上是与rom重叠的。8051单片机通过不同信号来选通rom或ram。当从外部rom中取指令时，采用选通信号psen，而从外部ram中读写数据时则采用读rd和写wr信号或来选通，因此不会因地址重叠而发生混乱。 片内数据存储器ram：片内ram有256个字节，其中00h7fh地址空间是直接寻址区，该区域内从00h1fh地址为工作寄存器区，安排了4组工作寄存器，每组都为r0r7，在某一时刻，cpu只能使用其中任意一组工作寄存器，由程序状态字psw中rs0和rs1的状态决定。片内ram的20h2fh地址单元为位寻址区，其中每个字节的每一位都规定了位地址。每个地址单元除了可进行字节操作之外，还可进行位操作。片内ram的80hffh地址空间是特殊功能寄存器sfr区，对于51子系列在该区域内安排了21个特殊功能寄存器，对于52子系列则在该区域内安排了26个特殊功能寄器，同时扩展了128个字节的间接寻址片内ram，地址也为80ffh，与sfr区地址重叠。 片外数据存储器ram：当片内ram不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他i/o口扩展外部ram，其最大容量可达64kb字节。在片内数据存储器中，数据区和扩展的i/o口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部ram和i/o端口的地址分配，并保证译码的唯一性。程序存储器rom：程序存储器rom包括片内rom和片外rom两个部分。主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以16位的程序计数器pc作为地址指针，寻址空间为64kb。当ea接高电平时，单片机从片内rom的4kb字节存储器区取指令，当指令地址超过0fffh后，自动地转向片外rom取指令。当ea接低电平时，所有的取指操作均对片外程序存储器进行。 2.5 8051单片机的片外总线结构及并行i/o口总线是多个系统部件之间进行信息传送的公共通路。 一个单处理器系统中的总线，按其所处位置的不同，大致可分为三类： 内总线是指同一部件如cpu内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。 系统总线是指同一台计算机系统内部各部件之间进行通信的总线。根据总线所完成的功能的不同，总线可分为地址总线，数据总线和控制总线。外部存储器与单片机的连接如图2-7所示。（1）地址总线（ab）：用来传输主存的单元地址码、外部设备的设备码或地址码。地址总线宽度为16位，由p0口经地址锁存器提供低8位地址（a0 a7）；p2口直接提供高8位地址（a8a15）。地址信号是由cpu发出 的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（db）：用来在总线上的两个部件之间传送数据。数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由p0口提供。（3）控制总线（cb）：用来传输全机的控制信号。控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令，主要有psen、wr、 rd信号。图2-7 8051与外部存储器连接图8051单片机有4个并行i/o口，称为p0、p1、p2和p3，每个端口都有8根引脚，它们都是双向通道，每一条i/o引脚都能独立地用做输入或输出，作为输出时数据可以锁存，作为输入时数据可以缓冲。p0、p1、p2和p3这4个i/o口的结构不尽相同，因此它们的功能和用途也不相同。p0口为三态双向口，可驱动8个ttl电路，p1、p2、p3口为准双向口（作为输入时，需要先向口锁存器写入1，故称为准双向口），其负载能力为4个ttl电路。p0口（p0.0p0.7）是三态双向i/o口，可作为通用i/o口使用，也可以作为系统扩展时的低8位地址/8位数据总线使用。当单片机系统需要扩展片外存储器或者需要扩展具有数据/地址线的芯片时，p0口只能作为低8位地址/8位数据总线使用，不能再作通用i/o口使用。其结构图分别如图2-8所示。图2-8 p0口的结构图p1口（p1.0p1.7）是一个准双向i/o口，它只能作为通用i/o口使用，没有第二功能。其内部已接有上拉电阻，因此p1口在作为通用输出口使用时，不需要再外接上拉电阻。当p1口作为输入口使用时，需要向p1口锁存器先写入“1”，然后读取p1口的输入信号。其结构如图2-9所示。图2-9 p1口的结构图p2（p2.0p2.7）口是一个准双向i/o口，p2口作为通用i/o口使用时，不需要再外接上拉电阻；当p2口作为输入口使用时，需要向p2口锁存器先写入“1”，然后再读取p2口的输入信号。当系统有扩展片外存储器或扩展具有数据/地址线的芯片时，p2口作为地址高8位信号线，此时p2口只能作为地址线使用，而不能作其它使用。其结构如图2-10所示。图2-10 p2口的结构图 p3口（p3.0p3.7）为内部带上拉电阻的8位准双向i/o口，p3口除了作为一般的i/o口使用之外，每个引脚都具有第二功能。p3端口和pl端口的结构相似，区别仅在于p3端口的各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入/输出，其作用与p1端口作用相同，也是静态准双向i/o端口。当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。由于输出信号锁存并且有双重功能，故p3端口为静态双功能端口2。其结构如图2-11所示。图2-11 p3口的结构图第三章 系统硬件电路设计3.1 总体方案设计本文采用51单片机为控制核心，配以44键盘和4位数码管显示，通过d/a转换电路对驱动电路进行电压采集和速度采集，并实现过压保护和速度显示。51单片机的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带led负载；具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围配置简单提高了整机的可靠性；并且具有较强的抗干扰性。极大地提高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力。由于受单片机i/o口的限制。通过增加外围硬件来实现动态显示段位、设定时间、设定转速和测量的实际转速。系统工作原理图如图3-1所示。直流电机led显示pwm控制a/d转换d/a转换单片机给定 输出 转速测量及变送图3-1系统工作原理图由图3-1可知，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为，占空比为；则电机的平均速度为：，可见只要改变占空比d，就可以得到不同的电机速度，从而达到调速的目的，严格地讲，平均速度与占空比d并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似看成线性关系3，如图3-2所示。图3-2 电枢电压占空比和平均电压的关系图3.2 直流电机的工作原理和调速方法直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。由图3-3所示，电枢电压为， 电枢电流为 ， 电枢回路总电阻为 ，电机常数 ，励磁磁通量是。那么根据 方程: 电机转速， 其中，对于极对数为 ，匝数为，电枢支路数为的电机来说:电机常数，意味着电机确定后， 该值是不变的。而在 中，由于仅为绕组电阻，导致 非常小，所以。由此可见我们改变电枢电压时，转速即可随之改变4。图3-3 直流电机原理图直流电动机的定子通常有励磁绕阻，当励磁绕阻通以直流电流时产生磁场。转子又称电枢，它的作用是产生电磁转矩和电势，实现机电能量的变换。当电枢旋转时，电枢绕阻中将产生交变感应电动势，通过换向器的作用，流经电机电刷上的电流为直流电，忽略电感时，电枢电流为 (3-1)式中: 电枢电压()电枢反电势()电枢回路电阻（）直流他励电动机的机械特性方程为： (3-2)式中:电枢电压 电动机转速电动机磁通电枢回路电阻电动机的转矩电动机的电势系数电动机的转矩系数连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽范围内实现无级调速。例如在机组供电调速系统中，只要改变发电机的励磁电流场，便可改变发电机的输出电压，从而改变电动机的转速。在不同的电枢电压下，其机械特性都是一条直线，因此，当连续改变电枢电压时，其机械特性便是一簇完全平行的直线。由于电动机既可以工作在电动机状态，也可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流方向，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限。采用晶闸管供电的直流调速系统，其特性方程式为: (3-3)式中:当磁通恒定时电动机的电势常数，理想空载整流电压整流电流的平均值电枢回路总的等效电阻但是当延迟角很大，而且负载电流很小时，电流断续作用显著，如果此时仍采用上述近似处理，其误差就很大，这时可以近似地采用两段直线来描述。把断续区的曲线近似地用一条具有很大等效电阻的直线来代替。此直线与横轴的交角为，则变电枢电压调速是可调速直流传动系统应用最广泛的一种调速方法。在这种调速方法中，由于电动机在任何转速下磁通和等效电阻都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速通风恶化的影响(也就是说假定电动机是强迫通风或为封闭的自冷式)，则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒定转矩调速，这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:1150:1，甚至更大5。调压调速法具有平滑度高、能耗少、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中pwm应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变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，因此，pwm又被称为“开关驱动装置”。3.3 转换电路（1）a/d转换接口电路的设计a/d转换采用adc0809芯片来实现。adc0809的in0和变送器输出端相连，故in0上输入的0v+5v范围的模拟电压经a/d转换后可由8051通过程序从p0口输入到它的内部ram单元。首先输入地址选择信号，在ale信号作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入。然后输入启动转换控制信号start启动转换。转换结束，数据送三态缓冲锁存器，同时发出eoc信号。在允许输入信号oe的控制下，再将转换结果输入到外部数据总线。a/d转换接口电路如图3-7所示。 图3-7 a/d转换电路图a/d转换器的主要性能参数有： 1)分辨率：分辨率表示a/d转换器对输入信号的分辨能力，a/d转换器的分辨率以输出二进制数的位数表示。 2)转换时间：转换时间指a/d转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。不同类型的转换器转换速度相差甚远。 3)转换误差：转换误差表示a/d转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。4)线性度：线性度指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。（2） d/a转换接口电路的设计d/a转换采用dac0832芯片来实现。8051单片机portb输出转速控制量的低八位，porta的低四位输出转速的高四位控制量。d/a转换与单片机接口电路如图3-8所示。图中用dac0832作为d/a转换器芯片，其输入为电流信号，可用ua741集成运放将输出的电流信号转换成电压信号。dac0832的寄存器选择信号cs及数据传送信号xfer都与地址线相连，当地址线选择好dac0832后，只要输出wr控制信号，dac0832就能一步完成数字量的输入锁存和d/a转换输出，并由ua741集成运放将电流转换为电压信号输出控制比较器的参考电压6。图3-8 d/a转换与单片机接口电路3.4 转速测量电路转速测量采用一组鼠标用的红外对管实现。在直流电机的转轴上安置了光栅转盘，光栅转盘的两侧分别装有鼠标用的红外发射和接收管。当直流电机转动时，光栅将不断改变红外对管的通断状态，从而实现对直流电机转速的测量，其电路原理如图3-9所示。图3-9 转速测量电路原理图当红外发射管与红外接收管之间被直流电机光栅转盘的不透明部分遮挡时，红外接收管处于截止状态，此时图中的speed输出高电平。反之，当光栅转盘的通光槽转至红外对管之间时，红外接收管处于导通状态，此时speed输出低电平。将speed连接到单片机的i/o口，即可通过定时计数的方法计算出电机转动速度7。3.5 数码管显示电路模组提供了4位共阴极led数码管，数码管采用uln2003a为其提供驱动电流。uln2003a是7路达林顿三极管阵列，这里用到了其中的4路，分别连接到数码管的4个位选脚g1g4，如下图3-10所示。图 3-10 数码管显示电路选取单片机的8位i/o作为数码管的“段控制”口，连接到数码管的ah这8个段控制脚；再用4位i/o作为数码管的“位控制”口，连接到驱动芯片uln2003a的dig1dig4，即可实现数码管显示控制。数码管的各段、位与控制引脚的对应关系如下图3-11所示8。图3-11 数码管段、位与控制端口的对应关系第四章 pwm信号发生电路设计4.1 脉宽调制(pwm)的基本原理 脉宽调制(pwm)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。pwm脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且与中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用pwm逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波9。下面给出一个实例，其电路连接如图4-1所示。 图4-1 实例电路图电路输入为，窄脉冲，如图4-2 a、b、c、d所示。图4-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形面积等效原理：分别将图4-2所示电压窄脉冲加在一阶惯性环节（r-l电路）上，其输出电流对不同窄脉冲时的响应波形如图4-3所示。从波形可以看出，在的上升段，的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图4-3 脉冲电路输出图用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波n等分，看成n个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化，如图4-4所示。图4-4 用pwm波代替正弦半波脉宽调制（pwm）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指该环节的输出响应波形基本相同。简而言之，pwm是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码。4.2 pwm波形发生电路根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成n等份，就可把正弦半波看成由n个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是pwm波形。由于测速中占用了两个定时器和，如果再将pwm波形产生交给8051 则会加大软件的任务，并且影响整个系统的控制效果。因此这里考虑单独设计一个pwm波形发生电路，单片机对它只提供控制参数以改变其占空比10。图4-6pwm波形产生电路在图4-6中，和 为两片4位比较器74ls85，为8位的计数器。计数器的时钟输入为系统的时钟信号(本系统晶振频率为12 mhz) 。经512分频后为2314khz，即pwm波形的频率为2314 khz。其中，、 的 分别接 、。分别接 、 。 端接一个过零比较器，其输出即为pwm波，其占空比是通过口给定的数值来改变的。4.3 pwm脉冲波的产生pwm脉冲波的产生方法有四种：(l)利用分立电子元件组成的pwm信号发生器。这种方法是用分立的逻辑电子元件组成pwm信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。(2)软件模拟法。利用单片机的一个i/o引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现pwm波输出。这种方法要占用cpu大量时间，使单片机无法进行其它的工作，因此也逐渐被淘汰。(3)专用pwm集成电路。从pwm控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的pwm集成电路芯片，现在市场上已经有很多种型号，如ti公司的tl494芯片，东芝公司的zsk313i芯片等。这些芯片除了有pwm信号发生功能外，还有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。这种专用pwm集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。(4)利用单片机的pwm接口。新一代的单片机增加了许多功能，其中包括pwm功能。如ad公司的12位单片机adc831，inter公司的16位单片机8xc196以及cygnal公司的8位单片机cso5lfoxx系列等。在新一代的单片机中通过初始化设置，使其pwm输出口能够自动发出pwm脉冲波，只有在改变占空比时cpu才可以进行干预。4.4 干扰问题的处理信号的干扰问题是每个单片机设计者都遇到的问题，在干扰问题上本论文做了以下处理：1)pwm信号工作频率是4khz，频率较高，会使导线阻抗变得较大，此时应尽量降低地线阻抗，采用了就近多点接地法。2)接地线尽量加粗。若接地线很细，接地电位则随电路的变化而变化，导致它的信号电平不稳定，抗噪声性能变差。因此，应将地线加粗，使它能通过3倍于印刷电路板的允许电流。如有可能，接地线宽在2mm以上为好。3)电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。4)原则上电源进线端都应安置滤噪电容器。本次设计的电路中，在电源进线处也安置了一个电解电容，这主要是起到滤除输入信号的杂波，降低电源对芯片的干扰等作用。第五章 系统软件设计5.1 主程序设计主程序使用a/d 转换电路采样输出直流电压值，以及采样外部调节电位器的电压值作为控制期望值。其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，并比较两者的差别，然后做pid控制运算，算出触发移相角，输出控制系数给pwm发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图5-1所示。开 始系统初始化按键是否按下读取键值开外部中断偏差=即时速度键值pid运算送控制系统显示转速图5-1主程序流程框图5.2 pid算法简单地说，pid就是运用比例、积分、微分算法，对回路中的偏差进行修正，调节执行器参数，使测量值稳定在设定值附近，达到控制某一参数的目的。pid控制算法简单，结构可灵活改变，技术成熟，可靠性高，在线性连续控制系统中得到了广泛的应用。模拟pid控制算法为： （5-1）式中，为输出信号，为偏差信号，为比例系数， 为积分时间， 为微分时间。将式（5-1）离散化，可得到数字pid算法的表达式： （5-2）当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如去驱动电动机）时，需要用pid的“增量算法”。故本系统使用增量型的pid算法，控制器的输出是控制量每一步的增量。由式(5-2)可得: （5-3）式(5-2)减去式(5-3)，得 （5-4）由式(5-4)经过简单变换得 （5-5）设置寄存器、分别放置第k次、(k-1)次、(k-2)次测量时测量值与标准值的偏差。每次pid计算结束后将本次测试结果相应的值移入相应的寄存器中。最后的输出可以经过换算为介于01之间的数值，相对应的为pwm