单片机控制直流电机PWM调速设计与仿真毕业论文.doc
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1、 . 学校代码:11517 学 号:8HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计题 目单片机控制直流电机PWM调速系统设计与仿真 工程学院论文使用授权书本人完全了解工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项容:按照学校要求提交论文的印刷本和电子版本;学校有权保存论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以与提供本论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部容用于学术活动。论文作者签名: 年 月 日
2、工程学院毕业设计(论文)原创性声明本人重声明:所呈交的论文,是本人在指导教师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的容外,本论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的容。对本论文所涉与的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 年 月 日4 / 54工程学院毕业设计(论文)任务书题目单片机控制直流电机PWM系统设计与仿真专业电气工程与其自动化学号容与要求: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
3、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、增强系统性能、以满足更多应用场合的需要。要求设计一个闭环调速系统,通过外接键盘与按钮实现直流电机正转、反转与速度调节控制。要求直流电机转速调节围为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。选择可以构成闭环系统的方案、选择所需器件和模块、以与IGBT管组成桥式斩波电路。要求系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制,以与PWM的占空比在LED上的实时显示。参考文献:1 科
4、技 编著 单片机典型模块设计实例导航 人民邮电 2006年2 单片机实训教程 雅轩等编 航空航天大学 2006年3 电力电子技术 王兆安等编 机械工业 2009年4电气自动控制原理与系统 渝光主编 机械工业 2007年完 成 期 限 指导教师签名:专业负责人签名:年 月 日毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或
5、集体,均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名:日 期:指导教师签名: 日期:使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名: 日 期:学位论文原创性声明本人重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对
6、本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日目 录单片机控制直流电机PWM调速系统的设计与仿真III摘 要IIIABSTRACTIV1 绪论11.1直
7、流电机的发展与设计背景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83.1单片机的选型:83.2驱动电路103.2.1 芯片IR2110性能与特点103.2.2 IR2110的引脚图以与功能103.2.3 元器件的选择比较、选型113.3 H桥双极性主电路123.4检测回路153.4.1 光电编码器153.4.2 M/T法测速原理163.5 键盘与显示电路173.5.1键盘/显示芯片8279简介173.5.3显示器设计183.6电源电路194系统软件设计21
8、4.1 PWM实现方式214.1.1 定时器/计数器214.1.2 PWM产生程序214.2 系统程序设计224.2.1主程序与系统初始化模块224.2.2 中断程序设计234.2.3 中断子程序模块244.3键盘/显示模块设计244.4数字PID控制器264.4.1 PID控制器原理264.4.2 数字PID控制器流程图275系统的MATLAB仿真305.1 系统的建模与参数设置305.2电机Matlab仿真32结束语34致35参考文献36附录37单片机控制直流电机PWM调速系统的设计与仿真摘 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
9、绍了AT89S52的详细参数,并对PWM信号的原理、产生方法、以与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。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直流电机的转速进行测量,并且作为反馈值输入到单片机进行PID运算,从而实现了对直流电机速度的控制。关键词: PWM信号;IR2110;PID运算The Design Of Direct Current Mo
10、tor SpeedRegulationSystem Based On SCMABSTRACTThis 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 also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR21
11、10 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 system to measure the speed of D.C. motor. In software, the article introduced the PID operation procedures, such as initial program and the writing
12、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 feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PIDcalculation. Key words: PWM signal;IR2110;PID calculation1 绪论1.1直
13、流电机的发展与设计背景直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大围平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础,采用运算放大器、非线性集成电路以与少量的数字电路组成,控制系统的硬件部分非常复杂,功能单一,而且系统非常不灵活、调试困难,阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用围的推广。随着单片机技术的日新月异,使得许多控制功能与算法可以采用软件技术来完成,为直流电动机的控制提供了更大的灵活性,并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统,可以节约人力资源和降低系统成本,从而有效的提
14、高工作效率。在实际应用中,电动机作为把电能转换为机械能的主要设备,一是要具有较高的能量转换效率;二是应能根据生产工艺的要求调整转速。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此,调速技术一直是研究的热点直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而以往直流电动机的控制只是简单的控制,很难进行调速,不能实现智能化。传统的控制系统采用模拟元件,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,故系统的运行可靠性与准确性得不到保证,
15、甚至出现事故。如今,直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持,单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展,使人类社会步入了自动化时代,单片机应用技术与其他学科领域交叉融合,促进了学科发展和专业更新,引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的飞速发展,改变了世界,也改变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点,计算机性能的不断提高,单片机的应也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。目前,直流电动机调速系统数字化已经走向实用化,伴随着电子技术的高度发展,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
16、,使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段,智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。近年来,随着科技的进步,电力电子技术得到了迅速的发展,直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,从而对直流电机的调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速,改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求,这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。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N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面
17、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: n=U/Cc-TR/CrCc (1-1)其中:U电压;励磁绕组本身的电阻;每极磁通(Wb)Cc电势常数;Cr转矩常量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,其控制功率虽然小但低速时受到磁场饱和的限制,高速时受到换向火花和转向器结构强度
18、的限制,而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。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。电枢控制是在励磁电压不变的情况下,把控制电压信号加到电机的电枢上,以控制电机的转速。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(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“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”。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P
19、WM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,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期“接通”和“断开”时间的长短。通过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”。本系统以AT89S52单
20、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。1.4总体硬件电路设计系统总体设计框图驱动电路 AT89S52单片机(速度的测量计算、输入
21、设定与系统控制)LED显示PWM 直流电机转速检测反馈键盘控制图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:式中t1表示一个周期开关管导通的时间,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,变化围为0D1。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,因此改变占空比D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
22、,如果电机始终接通电源时,电机转速最大为,占空比为D=/T,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。2.2 PWM调速方法在PWM调速时,占空比是一个重要参数。以下是三种可改变占空比的方法: (1)定宽调频法:保持不变,改变,从而改变周期(或频率)。 (2)调宽调频法:保持不变,改变,从而改变周期(或频率)。 (3)定频调宽法:保持周期(或频率)不变,同时改变、。 前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率),当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,因此应用较少。目前,在直流电动机的控制中,主要使用第3种方法。定频调宽法是
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