[优秀毕业设计]直流电动机闭环调速系统设计

1、直流电机闭环调速设计内容提要：通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。文章设计了以单片机AT89C51和三极管组成的H桥，利用脉宽调制(PWM)技术来控制直流电机。主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，再利用51单片机和其外围电路设计出关于单闭环调速的实际电路，通过PROTUS软件和KEIL软件编程，实现实际的调速系统的模拟仿真验证。关键词：调节器 最优模型 闭环负反馈 静差 KEILThe design and simulatio

2、n ofSingle loop dc speed control systemAbstract : Through closed-loop speed regulation system of single part of the power supply, the operational amplifier with controllable coils, composed of thyristor trigger rectifier equipment, motor model and tachogenerators module, the theoretical analysis and

3、 correction of primitive system, it is concluded that the difference after system of dc motor drive system optimal model. This article designs the MCU AT89C51 and triode, composed of H bridge using pulse width modulation (PWM) technology to control dc motor. Mainly introduces the MCU software realiz

4、ation PWM motor speed adjustment of the basic method and program flow chart,reuse 51 SCM and its periphery circuit design of a single closed-loop speed about real circuit PROTUS software and KEIL, through software programming, realize the actual speed regulation system simulation validation.Key word

5、s: Regulator optimal model KEIL closed-loop negative feedback static differenc目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc290844523 1绪 论 PAGEREF _Toc290844523 h 1 HYPERLINK l _Toc290844524 PAGEREF _Toc290844524 h 1 HYPERLINK l _Toc290844526 2 单闭环控制的直流调速系统简介 PAGEREF _Toc290844526 h 2 HYPERLINK l _Toc29084452

6、7 2.1 VM系统简介 PAGEREF _Toc290844527 h 2 HYPERLINK l _Toc290844528 PAGEREF _Toc290844528 h 2 HYPERLINK l _Toc290844529 PAGEREF _Toc290844529 h 3 HYPERLINK l _Toc290844530 PAGEREF _Toc290844530 h 4 HYPERLINK l _Toc290844531 PAGEREF _Toc290844531 h 5 HYPERLINK l _Toc290844532 2.5.1 比例放大器 PAGEREF _Toc290

7、844532 h 5 HYPERLINK l _Toc290844533 2.5.2 比例积分放大器 PAGEREF _Toc290844533 h 5 HYPERLINK l _Toc290844534 PAGEREF _Toc290844534 h 7 HYPERLINK l _Toc290844535 PAGEREF _Toc290844535 h 8 HYPERLINK l _Toc290844536 8 HYPERLINK l _Toc290844537 3 单闭环直流调速系统的设计及仿真11 HYPERLINK l _Toc290844538 11 HYPERLINK l _Toc

8、290844539 11 HYPERLINK l _Toc290844540 3.1.2 参数计算 11 HYPERLINK l _Toc290844541 12 HYPERLINK l _Toc290844542 12 HYPERLINK l _Toc290844543 13 HYPERLINK l _Toc290844544 13 HYPERLINK l _Toc290844545 3.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真14 HYPERLINK l _Toc290844546 16 HYPERLINK l _Toc290844547 3.3.1 PI串联校正的设计16 HYPERLINK

9、l _Toc290844548 18 HYPERLINK l _Toc290844549 19 HYPERLINK l _Toc290844550 19 HYPERLINK l _Toc290844551 19 HYPERLINK l _Toc290844552 19 HYPERLINK l _Toc290844553 20 HYPERLINK l _Toc290844554 20 HYPERLINK l _Toc290844555 4单元电路设计24 HYPERLINK l _Toc290844556 4.1 数码管显示电路24 HYPERLINK l _Toc290844557 4.2 按

10、键输入电路 PAGEREF _Toc290844557 h 24 HYPERLINK l _Toc290844558 4.3 电机驱动电路 25 HYPERLINK l _Toc290844559 25 HYPERLINK l _Toc290844560 4.5 硬件总电路图26 HYPERLINK l _Toc290844561 5 软件设计27 HYPERLINK l _Toc290844562 27 HYPERLINK l _Toc290844563 5.2 中断程序流程图27 HYPERLINK l _Toc290844564 5.3 程序清单27 HYPERLINK l _Toc29

11、0844565 6调试28 HYPERLINK l _Toc290844566 6.1 硬件调试28 HYPERLINK l _Toc290844567 6.2 软件调试28 HYPERLINK l _Toc290844568 6.3 烧录程序的步骤28 HYPERLINK l _Toc290844569 6.4 调试结果28 HYPERLINK l _Toc290844570 7 软件仿真结果29 HYPERLINK l _Toc290844571 结 论30附录 HYPERLINK l _Toc290844572 31 HYPERLINK l _Toc290844572 心得体会 PAGE

12、REF _Toc290844572 h 36 HYPERLINK l _Toc290844573 参考文献 PAGEREF _Toc290844573 h 371绪 论从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇

13、、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。2 单闭环控制的直流调速系统简介2.1 VM系统简介晶闸管电动机调速系统（简称VM系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。缺点：1由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运

14、行造成困难。2元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。图1 VM系统2.2转速控制闭环调速系统的调速指标1调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速 QUOTE nmax 和 QUOTE nmin 最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即其中 QUOTE nmax 和 QUOTE nmin 一般都指电机额定负载时的转速。2静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落 QUOTE nnom ，与理想空载转速 Q

15、UOTE n0 之比，称作静差率s，即静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。 调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。3调速范围、静差率和额定速降的关系以电动机的额定转速为最高转速，若带额定负载时的转速降落为，则该系统的静差率应该是最低速时的静差，即于是 QUOTE nmin=nomin-nnom=nnoms-nnom=(1-s)nnoms ，而调速范围为将上面的式代入，得上式即为调速

16、范围、静差和额定速降之间所应满足的关系。对于一个调速系统，它的特性硬度或 QUOTE nnom 值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是s越小，系统能够允许的调速范围也越小。2.3闭环调速系统的组成及静特性转速反馈控制的闭环调速系统，其原理如图。图2 采用转速负反馈的闭环调速系统1忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都是线性的；2假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段；3忽略直流电源和电位器的内阻。电压比较环节： QUOTE Un=Un*-Un 放大器： QUOTE Uct=KpUct 晶闸管整流与触发装置： QUOTE Ud0=KsUct VM系统开环机械特性： QUOTE n=Ud0

17、-IdRCe 测速发电机： QUOTE Utg=n QUOTE Kp 放大器的电压放大系数； QUOTE Ks 晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数； QUOTE 测速反馈系数，单位为Vmin/r;因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式式中 QUOTE K=KpKs/Ce 为闭环系统的开环放大系数，这里是以 QUOTE 1Ce=n/U 作为电动机环节的放大系数的。静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结构图，如图3所示： 图3 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图2.4反馈控制规律从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统

18、的稳定性影响很大，K越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。总之K越大，稳态性能就越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降为只有K=才能使 QUOTE ncl=0 ，而这是不可能的。2.5主要部件2.5.1 比例放大器运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P调节器），如图4，为放大器的输入和输出电压，为同相输入端的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响。 放大系数为图4 P调节器原理图 图5 P调节器输出特性 2.5.2 比例积分放大器在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高、中、低三个频段，

19、频段的界限是大致的。图6为一种典型伯德图的对数幅频特性。一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器。采用运算放大器的PI调节器如图7。 图6 典型控制系统的伯德图 图7 比例积分（PI）调节器PI调节器的传递函数为 QUOTE Kpi=R1R0 PI调节器比例放大部分的放大系统； QUOTE =R0C1 PI调节器的积分时间常数。此传递函数也可以写成如下的形式式中 QUOTE 1=Kpi=R1C1 PI调节器的超前时间常数。反映系统性能的伯德图特征有以下四个方面：1.中频段以 -20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好；2.

20、截止频率越高，则系统的快速性越好；3.频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小，调速范围宽）；4.频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声的能力越强。用来衡量最小相位系统稳定程度的指标是相角裕度和以分贝表示的幅值裕度Lg。稳定裕度能间接的反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着振荡弱、超调小。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性如图8： 图8 阶跃输入时PI调节器的输出特性 图9 PI校正装置在原始系统上 添加部分的对数幅频性 将P调节器换成PI调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为其对数幅频特性如图9所示。 由图8可以看出比例积分的物理

21、意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。额定励磁下直流电动机 QUOTE Ud0=RId+LdIddt+E （主电路，假定电流连续） QUOTE E=Cen （额定励磁下的感应电动势） QUOTE Te-TL=GD2375dndt （牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦） QUOTE Te=CmId （额定励磁下的电磁转矩）式中 QUOTE TL 包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm； Q

22、UOTE GD2 电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为 QUOTE Nm2 ； QUOTE Cm=30Ce 电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A；定义下列时间常数： QUOTE Tl=LR 电枢回路电磁时间常数，单位为s； QUOTE Tm=GD2375CeCm 电力拖动系统机电时间常数，单位为；得电压与电流间的传递函数电流与电动势间的传递函数为额定励磁下直流电动机的动态结构图如下：图10 额定励磁下直流电动机的动态结构图2.6稳定条件反馈控制闭环调速系统的特征方程为稳定条件为整理后得上式右边称作系统的临界放大系统，K值超出此值，系统就不稳定。根据上面的分析可知，可能出

23、现系统的临界放大系数都比系统稳态时的比放大系数小，不能同时满足稳态性能指标，又保证稳定和稳定裕度。为此必须再设计合适的校正装置，以改造系统，才能达到要求。2.7稳态抗扰误差分析1.比例控制时的稳态抗扰误差采用比例调节器的闭环控制有静差调速系统的动态结构图如图11。当 QUOTE Un*=0 时，只扰动输入量 QUOTE IdL ，这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差n，可将动态结构图改画的形式如图12。图11采用比例调节器的闭环有静差 图12 给定为0时采用比例调节器的调速系统结构图的一般情况 闭环有静差调速系统结构图负载扰动引起的稳态速差：这和静特性分析的结果是完全一致的。2.积分控制时的

24、稳态抗扰误差将图12比例调节器换成积分调节器如图13突加负载时 QUOTE IdLs=IdLs ，于是负载扰动引起的稳态速差为可见，积分控制的调速系统是无静差的。3.比例积分控制时的稳态抗扰误差用比例积分调节器控制的闭环调速系统的动态结构如图14。 图13 给定为0时采用积分调节器图 图14 给定为0时采用比例积分调节器的闭环调速系统结构图 的闭环调速系统工程结构图则稳态速差为因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。4.稳态抗扰误差与系统结构的关系上述分析表明，就稳态抗扰性能来说，比例控制系统有静差，而积分控制和比例积分控制系统都没有静差。显然，只要调节器中有积分成份，系统就是无静差的。只

25、要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，则外扰动便不会引起稳态误差。3 单闭环直流调速系统的设计及仿真3.1参数设计及计算3参数给出1.电动机：额定数据为10kW,220V,52A,1460r/min,电枢电阻 QUOTE Ra ，飞轮力矩GD2=10Nm2。 2.晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次电压 QUOTE E2t =230V，触发整流环节的放大系数 QUOTE Ks =40。3.VM系统主电路总电阻4.测速发电机：永磁式，ZYS231/110型；额定数据为23.1W,110V,0.18A,1800r/min。5.生产机械要求调速范围D=10，静

26、差率s5%. 参数计算根据以上数据和稳态要求计算参数如下：1.为了满足D=10，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降为2.根据 QUOTE ncl ，求出系统的开环放大系数式中 QUOTE Ce=Unom-InomRannom=220-550.5V1000r/min=0.1925Vmin/r 3.计算测速反馈环节的放大系数和参数测速反馈系数包含测速发电机的电动势转速比 QUOTE Cetg 和电位器的分压系数 QUOTE 2 ，即= QUOTE 2Cetg 根据测速发电机数据，试取 QUOTE 2=0.2 ，如测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速成1460r/min下，反馈电压为相

27、应的最大给定电压约需用18V。若直流稳压电源为20V，可以满足需要，因此所取的值是合适的。于是，测速反馈系数为电位器的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的确20%，这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是此时 QUOTE RP2 所消耗的功率为为了使电位器温度不是很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选 QUOTE RP2 为10W，3k的可调电位器。4.计算运算放大器的放大系数和参数实取 QUOTE Kp=21 按运算放大器参数，取 QUOTE R0=40k 则 QUOTE R1=KpR0=2140k=840k 5.反馈电压3.2有静差调速系统3.2.

28、1有静差调速系统的仿真模型根据系统稳态结构图(如图3),选择仿真模块：使用constant模块作为转速给定电压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为传递函数模块，sum模块作为信号综合点，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用KILE软件对系统进行仿真（注意：在接线时，如果出现错误，提示颜色为红色）。图15 有静差调速系统3.2.2主要元件的参数设置1.转速给定电压由于触发装置GT的控制电压是由给定电压 QUOTE Un* 和反馈电压的差经过放大器后产生的，所以二者的差不会很大，于是取 QUOTE Un*=11.8V ，即常量值（c

29、onstant value）设为18。采用斜坡函数，并加上staturation模块作为限幅。在电路图的Simulink 菜单选项中，选择Simulintion Parameter 中。对仿真参数进行如下设置：Start time:0.1; stop time:2.03.2.3仿真结果及分析1.Kp的值不同时其输出特性如图16所示，a)为 QUOTE Kp=21 ，b）为 QUOTE Kp=50 。 (1） QUOTE Kp=21 (2） QUOTE Kp=50 图16 有静差调速系统的稳态特性 上图转速 下图负载电流(1)图中转速为1449.75r/min，随着负载电流的增加，转速有所下降，

30、在0.63s时，电流达到额定值52A，这时的转速降为1442.5r/min，系统的转速降为n=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min。(2)图中为 QUOTE Kp=50 时系统的特性，从转速曲线可以看到，随着放大倍数的增加，系统的转速降减小，静特性的硬度增加，抗负载能力提高。2.不同给定值下系统的输出稳态特性，如图17。(1）为 QUOTE Un*=11.8V ，转速降为2.5r/min=7.25r/min。(2)为 QUOTE Un*=11.5V ,转速降为n=14-14r/min=r/min。通过对比可以得出，单闭环调速系统具有很好的跟随特性。 (1） QU

31、OTE Un*=11.8V (2） QUOTE Un*=11.5V 图17 有静差调速系统不同给定作用时的稳态输出特性3.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真按保证最小电流 QUOTE Idmin=10%Idnom 时电流连续的条件(三相桥式整流电路 QUOTE L=0.693U2Idmin )计算电枢回路电感量，由于 QUOTE E2=E2l33=23033=132.8V 取L=1818H计算系统时间常数：电枢回路电磁时间常数 电力拖动机电时间常数 失控时间常数 为保证系统稳定，开环放大系数应有代入具体数值并计算后得K60.1，稳态精度和动态稳定性在这里不矛盾。下面从原始系统的开环对数频率特性

32、来分析研究闭环传递函数在一般情况下， QUOTE Tm4Tl ，因此项有两个负实根，令其为 QUOTE -1/T1 和 QUOTE -1/T2 。也就是说，可将该项分解为两个因式于是开环传递函数变成 QUOTE Tl=0.017s ， QUOTE Tm=0.075s ， QUOTE Ts=0.00167s ，在这里， QUOTE Tm4Tl 是成立的。代入上式并分解因式，得根据稳态参数计算的结果，闭环系统的开环放大系数已取为于是闭环系统的开环传递函数为相应的开环对数幅频及相频特性如图，其中三个转折频率分别为利用margin命令函数n1=0 62.53;d1=0.174 1;s1=tf(n1,d

33、1);n2=0 1;d2=0.016 1;s2=tf(n2,d2);n3=0 1;d3=0.00167 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys)得出原始闭环调速系统的频率特性如图18： 图18 原始系统的伯德图由图可见，相角裕度=deg，幅值增益裕度，都是正值，所以闭环系统稳定。无静差调速系统3.3.1 PI串联校正的设计本系统的PI调节器设计如下。根据原始系统对数幅频和相频特性图可知：因此 QUOTE c1=K12 代入数据，得按上述方法，取 QUOTE Kpi=T1=0.049s ，并使 QUOTE c21/T2=38.5s-1 ，取 QUOTE c2

34、=30s-1 ，在特性上查得相应的 QUOTE L1=31.5dB ，因而 QUOTE L2=-31.5dB 。从图上看出 已知 QUOTE Kp=21 ，因此 QUOTE Kpi=2137.58=0.559 而 QUOTE =T1Kpi=0.049s0.559=0.088s PI调节器的传递函数为最后，选择PI调节器的参数。已知 QUOTE R0=40k ，则 QUOTE R1=KpiR0=0.55940k=22.36k ，取 QUOTE R1=22k 。 QUOTE C1=R0i=0.08840103F=2.20F ,取 QUOTE C1=2.2F ,验证晶间管和整流装置的传递函数是否满足

35、近似成一阶惯性环节的条件，这个条件是： QUOTE c13Ts 。现在，校正后系统的截止频率 QUOTE c2=30s-1 ，而显然，上述近似条件是成立的，设计有效。根据上述分析，加上PI校正后整个系统的开环传递函数为：代入数据得 图19 校正后的伯德图 从图可知，GM=24dB和=56.5deg都是正值，系统稳定。图20 闭环调速系统的PI调节器串联校正(1)原始系统的对数幅频特性 (2)校正环节添加部分的对数幅频和相频特性 (3)校正后系统的对数幅频和相频特性从图20的对比中可以看出：校正后的系统的仰卧频段的斜率变陡，说明校正后的系统的稳态精度变好了（即静差率变小）；校正后的截止频率变小了

36、，说明PI校正牺牲了系统的快速性。3.3.2无静差调速系统的仿真模型从上面的分析可以知，只要系统中含有积分环节，该系统就是无静差的。无静差调速系统的稳态结构图如图21，仿真模型如图22。图21 无静差调速系统的稳态结构图根据系统稳态结构图(如图21),选择仿真模块：使用constant模块作为转速给定电压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为传递函数模块，sum模块作为信号综合点，integrator模块作为积分器，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用KILE软件对系统进行仿真。 图22 无静差调速系统的KEIL仿真模型3.3.3

37、主要元件的参数设置转速给定电压、负载扰动、限幅值、传递函数、信号综合点等模块的参数设置与有静差调速系统的参数设置相同。将有静差调速系统系统中的Kp比例环节换成积分环节，参数设置：分子为0.174 1, 分母为0.385 0。stop time为3.0。3.3.4仿真结果及分析（1）其中给定为18V，给定和负载同时作用时的输出波形如图23所示 图23 有静差调速系统给定和负载 图24无静差调速系统给定和负载同时作用时的稳态特性 同时作用时的稳态特性与有静差调速系统输出波形图相比较可知，加入无积分环节后，波形变得平滑了。和无静差调速系统的动态分析设计有静差调速系统的仿真模型 有静差调速系统的动态结

38、构如图25所示，将前述静态比例环节Ks换为。图25 采用比例调节器的闭环有静差调速系统结构图仿真模型如图26，其中微分环节的设置如图所示。根据系统稳态结构图(如图25),选择仿真模块：使用constant模块作为转速给定电压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为传递函数模块，sum模块作为信号综合点，Derivative模块作为微分器，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用KILE软件对系统进行仿真。图26为添加恒定负载时的仿真模型。图26 单闭环直流调速系统添加恒定负载时的动态仿真模型参数设置转速给定电压、负载扰动、传递函数、信号

39、综合点等模块的参数设置与有静差调速系统的参数设置相同。其它参数设置如图所示。3.4.3仿真结果及分析27为给定电压时的输出特性。图28为给定电压时的输出特性。 图27有静差调速系统当给定作为 图28有静差调速系统当给定作为时的动态输出特性 时的动态输出特性27和图28中可以看出有静差调速系统的转速对于给定电压具有很好跟随性，给定电压越大，最终转速越高。且动态模型中，转速会慢慢趋于稳定。3., , 时的转速输出如图29所示。此时仿真参数stop time 设为1.0s。从图中可以看出，速度趋于稳定的时间约为s。但是当Kp增大到40时，波形变得发散，说明Kp不能一直增大，否则会变得不稳定。 图29

40、 给定为18V额定电流下的有静差调速系统的动态特性 4. 图30为用Ramp模块加上staturation模块限幅作为负载扰动。图30 给定为阶跃函数时的有静差调速系统的动态系统5.图31为给定电压时的输出特性。图32为给定电压时的输出特性。 图31有静差调速系统当给定作为 图32有静差调速系统当给定作为时的动态输出特性 时的动态输出特性6.从图31和图32中也可以看出有静差调速系统的转速对于给定电压具有很好跟随性，给定电压越大，最终转速越高。且动态模型中，转速会慢慢趋于稳定。7., , 时的转速输出如图33所示。此时仿真参数stop time 设为0.5s。从图中可以看出，速度趋于稳定的时间

41、约为0.45s。但是当Kp增大到40时，波形变得发散，说明Kp不能一直增大，否则会变得不稳定。 图33 给定为阶跃函数下的有静差调速系统的动态特性8. 无静差调速系统的动态仿真模型如图34所示。将有静差调速系统的比例控制器换成比例积分控制器。有静差调速系统的输出特性如图35所示无静差调速系统的输出特性如图36所示。此时仿真参数stop time 设为s。 图34 无静差调速系统的动态仿真模型 图35 有静差调速系统 图36 无静差调速系统与有静差调速系统的输出特性对比可知，由于无静差调速系统中将比例环节改为积分环节，波形波动不大，能够较快达到稳定速度。综上所述，对于单闭环直流调速系统，为了达到

42、较高的调速性能，需采用PI调节器，使波形在较短时间内达到稳定速度。4单元电路设计4.1 数码管显示电路如图为两个数码管并联电路，每个数码管都有a、b、c、d、e、f、g七个笔划和一个小数点h，a,b,c,d,e,f,g,h与单片机的IO口相连。比如是共阴极数码管，如图2所示，当给A，B，C，D，E，F断通以高电平COM端通以低电平的时候，数码管的A，B，C，D，E，F段会点亮，人眼看上去就是一个数字“0”。当给B,C通以高电平其余通低电平的时候，人眼看上去就是数字“1”，当给A，B，G，E，D通以高电平其余通低电平COM端给低电平时，数码管显示数字“2”这是指的数码管的静态显示，当电路中要用到

43、很多数码管时，由于硬件资源有限，不可能为了显示占用好多IO口，这样就涉及到数码管的动态扫描。动态扫描时让所有的段（ABCDEFGH）都并联在一起，本次设计就是采用的这样的显示方式，在扫描时间的前半段时间，让IO口送数码管的第一位数据，同时让第一个数码管的位选打开，第二个数码管的位选关闭，在扫描的后半段让IO口送第二个数码管的数据，同时让第二个数码管的位选打开，第一个数码管的位选关闭，当扫描速度很快时，人的眼睛由于有视觉残留效果，看上去像是稳定的两位数据。如图就是动态扫描的结果。4.2 按键输入电路原理解析：此电路采用独立式按键电路，在无按键按下时p1.3， p1.4， p 口被上拉电阻拉为高电

44、平，当有按键按下时，其对应的接口立刻变为低电平。当加速键被按下时，P1.3就变为低电平，程序检测到低电平后，执行相应的程序，使PWM得占空比变大，电机的速度因此会变快，同理，按下减速，停止，按钮后也是这样的功能。4.3 电机驱动电路原理解析：如图R4,R2 两边的线连接到单片机的IO口，当这两个 IO口的状态反相时电机就会转动，比如P20口为高电平，P21口为低电平，如果P20口为低电平，P21口为高电平，电机就会反相转动。这是一个典型的H桥电路，专门用来控制电机的转速的，图中的四个二极管用来给电机在PWM调速时续流用。使电机调速更平滑。4.4主控芯片介绍AT89C51是由一个8位中央处理器（

45、CPU）、一个256B片内RAM及4KB Flash ROM 、21个特殊功能寄存器、4个8位并行I/O口、两个16位定时/计数器、一个串行I/O口以及中断系统等部分组成，各功能部件通过片内单一总线联成一个整体，集成在一块芯片上。中央处理器： 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 数据存储器(RAM) 89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放

46、用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)： 89C51共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。 定时/计数器(ROM)： 89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。 并行输入输出(I/O)口： 89C51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。 全双工串行口： 89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 中断系统： 89C51具备较

47、完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 时钟电路： 89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但89C51单片机需外置振荡电容。 4.5 硬件总电路图附录，工作原理：当电源接通时，单片机开始运行，首先初始化子程序，然后不断扫描按键，是否有按键按下，按下加速键时，电机开始转动，同时数码管上显示电机的转速（其实是占空比），再按一下加速键，电机的速度明显变快，数码管上面的速度值也会变大。当按下减速键时电机的速度降低，数码管上面的值也会变小。按一下停止键时，电机停止转动，数码管上的速度值也

48、恢复到0。 5 软件设计5.1主程序流程图如附录所示，当系统刚上电时系统初始化，开始扫描键盘，看是哪个按键按下，执行相应的程序，输出相应频率的PWM波，来控制电机速度。5.2 中断程序流程图如附录，此中断程序流程图是用来调节PWM占空比的，也是占空比电路的核心程序流程图，首先打开定时计数器，先设定一个值M,当计数器还没达到这个值M时让控制电机的IO口输出低电平，当计数器大于M时，让此IO口输出高电平，这样只需调节M值的大小即可调节PWM的占空比，从而调节电机转速。5.3 程序清单（附录）6调试6.1 硬件调试硬件调试是一件重要而细微的工作，许多硬件错误往往是在软件调试时被发现的。通常，先排除明

49、显的硬件故障，之后，再和测试软件结合起来调试。硬件调试可分为静态调试和动态调试两步。静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。检测步骤如下:目测：检查外部的各种组件或者是电路是否有断点，及焊点是否牢固，是否存在虚焊等现象；用万用表测试：先用万用表复核目测中有疑问的焊接点及可能在焊接过程中烧坏的组件，再检测各种电源线与地线之间是否有短路现象；加电检测：给板加电，检测所有插座或器件的电源是否符合要求；联机检测：要完成对用户系统的调试，需在单片机开发系统环境下进行。动态调试是在用户系统工作的情况下发现和排查错误的一种硬件检测。动态调试的一般方法是由近及远、由分到合。由分到合是指首先按逻辑功能将用户

50、系统硬件电路分为若干块，当调试电路时，与该组件无关的 器件全部从用户系统中去掉，这样可以将故障范围限定在某个局部的电路上。当各块电路无故障后，将各电路逐块加入系统中，在对各块电路功能及各电路间可能存在的相互联系进行调试。由分到合的调试既告完成。由近及远是将信号流经的各器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试。调试时，仍采用去掉无关组件的方法，逐层调试下去，就会定位故障组件了。6.2 软件调试软件调试是通过对程序的汇编、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误并加以排除纠正的过程。6.3 烧录程序的步骤1、用编辑软件编写程序，注意使用C语言编写的程序文件名后缀（即扩展名

51、）是.C，编写的程序称为源程序。2、将源程序用编译软件进行编译，生成扩展名为.hex的文件。3、通过编程器把扩展名为.hex的可执行文件烧写到单片机内。在写入之前还可以进行软件仿真，即在软件上模拟单片机程序原形情况，以便进行调试和修改。6.4 调试结果刚开始接上电源，按下仿真键，电机不转，数码管上面显示00，即没有速度，示波器上面也没有波形。当按下加速键时，电机开始转动，同时示波器上面显示波形，按动的次数越多，占空比越大，速度也越快。当按下减速按钮时，占空比也会变小，电机速度也变慢。当按下停止按钮时，电机停止转动，数码管上速度变为0。7 软件仿真结果（附录，示波器仿真图）此为调节加速按钮，再电机占空比33%的情况下，用示波器测得的占空比值，和理论设计的几乎一样。（附录，直流电机调速仿真图）此图为调节加速按钮后使占空比达到50%情况下测得PWM波形的占空比。结 论通过仿真成功，可看出这一方案是非常可行的，本文所设计的PWM直流电机调速系统经过适当的调整可以运用于不同的场合，加霍尔传感器来测量电机的转速构成闭环调速系统。也可以运用温度来控制电