畢業(yè)論文-單片機控制直流電動機調速系統(tǒng)

1、 PAGE 35 畢 業(yè) 論 文題目 單片機控制直流電動機調速系統(tǒng) 姓 名 學 號 系（院） 班 級 指導教師 職 稱 摘要本設計以MCS-51系列單片機為核心控制PWM信號實現對直流電動機的轉速及方向進行控制的方式，系統(tǒng)采用專門的芯片對PWM信號進行控制。并且闡述了PWM信號的原理以及如何利用軟件編程對PWM信號的占空比進行控制調節(jié)，從而使得輸入信號波形產生改變。本系統(tǒng)的調速功率放大電路的驅動模塊采用IR2110芯片為直流電動機的轉速調速，在主電路中與延時電路相結合完成對于直流電動機的控制。為了對電動機的轉速進行測量，經過濾波電路后將測量值輸出到A/D轉換器，最后作為反饋值輸入到單片機進行P

2、I運算，實現對直流電動機的轉速控制。在軟件上則介紹了PI運算程序，初始化程序的編寫邏輯以及程序的實現。關鍵詞：MCS-51單片機 PWM信號 直流電動機調速 PI運算 目錄第一章 緒論1.1 課題背景.51.2 設計任務.51.3方案的選擇.61.3.1 目前直流電動機的控制方法.61.3.2 PWM調速方法的優(yōu)點61.4 選題的意義.7第二章 直流電動機2.1 直流電動機的優(yōu)點以及應用領域.82.1.1 直流電動機的優(yōu)點.82.1.2 應用領域.82.2 直流電動機的分類.82.2.1 無刷直流電動機.92.2.3 有刷直流電動機92.3 直流電動機的發(fā)展歷史10第三章 單片機3.1 單片機

3、的優(yōu)點.113.2單片機的應用領域;.123.3 單片機的分類.;.123.3.1 通用型單片機.;.123.3.2總線型單片機;.133.4 單片機的發(fā)展歷史;.13第四章 控制系統(tǒng)的構成4.1 硬件設計總體框圖.154.1.1 80C51單片機的基本組成及介紹.164.1.2 80C51單片機的cpu及部分部件的介紹.164.2 單片機系統(tǒng)中所用其他芯片選型.174.2.1 地址鎖存器.174.2.2 程序存儲器.184.2.3 數據存儲器.184.2.4 單片機擴展電路分析.194.3 PWM信號發(fā)生電路設計194.3.1 PWM 的基本原理.194.3.1 PWM信號發(fā)生電路設計194

4、.3.2 PWM信號發(fā)生電路主要芯片工作原理.204.4 主電路設計.234.4.1 主電路.244.4.2 系統(tǒng)總體電路圖.264.4.3測速發(fā)電機.274.4.4 濾波電路.284.4.5 芯片的選型.284.5 系統(tǒng)軟件的設計.294.5.1 PI轉速調節(jié)器原理圖以及參數的測算.304.5.2系統(tǒng)中的部分程序設計.30第五章 軟件調試及仿真5.1 軟件的調試.315.2 系統(tǒng)的仿真.31謝辭.34第一章 緒論1.1課題背景隨著經濟于技術的發(fā)展與進步，自動化控制系統(tǒng)在生產生活中得到了廣泛的應用于發(fā)展，而自動化直流調速系統(tǒng)在現代話的生產中起著主要的作用，大到航天航空，小到普通的電機控制，無論

5、是從工業(yè)，農業(yè)，服務業(yè)，還是日常的生活中來看都是大量的使用著各式各樣的電氣傳動系統(tǒng)，很多自動化控制系統(tǒng)都有這或多或少的調速有需求比如：車輛、工業(yè)設備、農業(yè)上的一些輔助工具、電梯等等。為了滿足一些設備的生產要求則需要對一些設備進行調速，這樣可以減少功能損耗，節(jié)約電能。另一方面直流電動機具有良好的調速性能以及較大的啟動轉矩和過載能力等許多優(yōu)點。為此本文設計了一個直流電動機的調速系統(tǒng)，對直流電動機的方向以及電機轉速進行良好的控制。1.2 設計任務設計是以MCS-52單片機為控制核心，組成控制單元設計出控制系統(tǒng)，通過按鈕實現對直流電動機的轉速和轉動方向進行控制。通過本課題，一方面我對于前期所學到的知識

6、進行了一次總結，另外一方面對于本論文用到但是以前沒有學到的知識點以查閱資料的方法進行了學習，讓我回顧了單片機的基本知識，對于單片機的知識點進行了鞏固，對于單片機的外圍控制電路的設計進行了系統(tǒng)的回顧；另外一方面，通過設計外圍直流電動機控制系統(tǒng)、硬件電路、控制程序和相應的電路圖培養(yǎng)了自己的動手能力和學習能力，為今后的工作和自己以后的進一步深入發(fā)展打下了良好的基礎。1.3 方案的選擇直流電動機有較大的過載轉矩和過載能強、良好的調速性能等一系列的優(yōu)點，所以直流電動機在現在生活的各個方面有著廣泛的應用，并有繼續(xù)擴散的趨勢，而直流電動機的調速控制系統(tǒng)是電機應用的一個重要技術保障，所以在很多行業(yè)有著廣泛的應

7、用1.3.1目前直流電動機的控制方法：改變電樞回路總電阻Ra。改變電樞供電電壓。改變勵磁磁通。脈沖寬度調制。目前應用最廣泛的一種控制方式是脈沖寬度調制即Pulse width modulation簡稱PWM（以下簡稱PWM）本論文便采用此種方法。1.3.2 PWM調速方法的優(yōu)點這種調速方法這種調速方法具有抗噪能力強、節(jié)約空間、經濟性能高而且其開關頻率高、動態(tài)性能優(yōu)良、低速運行穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點，另外PWM系統(tǒng)非常用以在單片機系統(tǒng)中實現，而且運行速度快、精度高、硬件簡單、所以具有良好的發(fā)展以及光輝的前景。除此之外PWM調速方法還具有主電線路簡單，需用的功率器件少，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及

8、發(fā)熱都較小，穩(wěn)態(tài)精度高，調整范圍寬等優(yōu)點。所以本設計采用PWM系統(tǒng)來對直流電動機進行控制，主要用單片機產生PWM信號來控制直流電動機的轉速。PWM調速方法相當于將直流電電壓降低，功率及轉速降低，即調整脈寬的寬度而不是頻率，將高電平時間延長，低電平時間縮短。通過改變電機電樞電壓接通時間和通電周期的比值來控制電機速度。當脈沖最寬時，相當于直流電，功率最大，轉速最高。脈沖寬度減脈沖頻率并沒有變。脈寬調制并不是直接調整電機的速度，而是改變電機的功率或扭矩。扭矩大了，換向加快，轉速提高。通過控制脈沖占空比來改變電機的電樞電壓，從而實現對電動機的轉速的控制。其實PWM控制的基本原理早就提出，但是受制于電子

9、器件發(fā)展水平的制約，在上世紀 八十年代之前一直都為實現，直到八十年代后，隨著電子器件的迅速發(fā)展，PWM控制技術才得到應用，到目前已經出現了多種的PWM控制技術。本文便是以8051單片機為核心，通過電片劑控制，C語言編程實現對電動機的有效控制。1.4 選題的意義從直流電動機的優(yōu)點來看，它具有良好的啟動，制動性能以及優(yōu)異的大范圍平滑調速，所以直流電動機在很多領域得到了廣泛的應用。而傳統(tǒng)的直流電動機控制系統(tǒng)一般采用模擬元件，這中控制系統(tǒng)可以在一定程度上滿足一定的生產要求，但是因為其元器件易老化、易受外界影響而且線路復雜、通用性差所以在運行中可靠性得不到保障。目前隨著科技的發(fā)展，尤其是電子技術的飛速發(fā)

10、展，直流電動機調速系統(tǒng)的數字化已經走向實用化，特別是隨著單片機技術的應用，促使直流電動機模擬化調速向數字化轉變，使直流電動機的調速進入了一個全新的階段，高可靠性、智能化成為一個發(fā)展的趨勢。第二章 直流電動機直流電動機由定子和轉子兩個主要的部分構成（如圖1.1）。直流電動機運行時不動的是定子，定子的主要作用是產生磁場，由座機和換向機、蓋端軸承、電刷和主磁極等裝置組成；運行時轉動的是轉子部分，由是直流轉軸、電鈕鐵心、電鈕繞組、轉向器、風扇組成。電動機進行能量轉換的樞紐，主要的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，平常又稱為電鈕。2.1 直流電動機的優(yōu)點以及應用領域2.1.1 直流電動機的優(yōu)點（1）調速性

11、能好，可調范圍廣，易于平滑調節(jié)。（2）啟動、制動轉矩大，易于快速啟動、停車。（3）易于控制。2.12 應用領域（1）軋鋼機、電氣機車等調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、電動車等2.2直流電動機的分類直流電動機按照其結構及工作原理可以分為：無刷直流電動機和有刷直流電動機2.2.1無刷直流電動機無刷直流電動機是將普通直流電動機的定子與轉子進行了互換。其轉子為永久磁鐵產生氣隙磁通：定子為電樞，有多相繞組組成。在結構上，它與永磁同步電動機類似。無刷直流電動機的定子結構與普通的同步電動機或感應電動機相同，在鐵芯中嵌入多相繞組，繞組可以接成星型或者三角形，并分別與逆變器的各功率管相

12、連，以便進行合理換相。轉子多采用釤鉆或釹鐵蹦等高矯頑力、高剩磁密度的稀土材料，由于磁極中磁性材料所放位置的不同，可以分為表面式磁極、嵌入式磁極和環(huán)形磁極。由于電動機本體為永磁電機，所以習慣上吧無刷直流電動機也叫做永磁無刷直流電動機。2.2.2 有刷直流電動機有刷直流電動機按照材料可劃分為：永磁直流電動機和電磁直流電動機。永磁直流電動機一般采用稀土永磁、鐵氧體永磁、鋁鎳鈷永磁等永磁體。其中稀土永磁直流電動機體積小性能好，但是價格昂貴主要應用于航天、井下儀器、計算機等；鐵氧體永磁直流電動機價格便宜，性能良好，廣泛應用于家用電器、汽車、玩具、電動工具等領域；鋁鎳鈷永磁直流電動機，需要消耗大量的貴金屬

13、，價格較高，但是對高溫的適應性良好，用于環(huán)境溫度較高或對電動機的溫度穩(wěn)定性要求較高的場所。電磁直流電動機分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。串勵直流電動機是將電流串聯(lián)、分流，勵磁繞組是和電樞串聯(lián)的，所以這種電動機內磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了是勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好，所以直流串勵電動機通常用較粗的導線繞成，他的匝數較少。并勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵電動機，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上來講與他勵直流電動機相同。他勵直流電動機的勵

14、磁繞組與電樞沒有電的聯(lián)系，勵磁電路是由另外直流電源供給的。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。復勵直流電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同時稱為積復勵。若是兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。2.3 直流電動機的發(fā)展歷史直流電動機也可稱為電動馬達，1821年第一臺可將電能轉化為機械能量的電動馬達由法拉第發(fā)明。法拉第的原型設計后來經過迅速改良到了1880年代已經成為主要的電力機械能轉換裝置，后來由于交流電的發(fā)展，而發(fā)明出了感應式與同步式的馬達，直流馬達的重要性由之降低。到了1960年，由于SCR（單相可控硅技術）的發(fā)明、磁鐵材料、碳刷、絕緣材

15、料的改良，以及控制技術的改良，和工業(yè)自動化的發(fā)展，直流馬達再次遇到了發(fā)展的契機，到了1980年直流伺服驅動系統(tǒng)成為自動化工業(yè)與精密加工的關鍵技術。第三章 單片機單片機又稱為微控制器，它的功能并不是完成某一邏輯功能，而是將一個計算系統(tǒng)集成到一個芯片上（如圖3.1）。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只是缺少了I/O設備。也可以概括的講：一塊芯片就是一臺計算機。此外，單片機還具有體積小、控制功能強、功耗低、環(huán)境適應能力強、擴展靈活和使用方便等優(yōu)點，用單片機可以構成形式多樣的控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、無線感知系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、機器人等應用控制系統(tǒng)。例如，工廠流水線上的職

16、能管化管理，電梯智能化控制，電氣的智能化控制等等，此外，單片機控制系統(tǒng)也可與計算機聯(lián)網構成二級控制系統(tǒng)等。圖2.1 單片機3.1 單片機的優(yōu)點單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、拓展靈活、微型化和使用方便等特點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可以實現諸如電壓、電流、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量，采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更是強大，例如（精密測量設備）。單片機將各功能部件集成在一塊晶體芯片上，集成度很高，體積自然也是最小的，同時內部的布線也是很短其抗噪性優(yōu)于一般的CUP。單片機的

17、程序指令，常數及表格等固化在ROM中不易破壞，許多信號通道均在一個芯片內，所以可靠性較高。為了滿足對對象控制的要求，單片機的指令系統(tǒng)均有極豐富的條件：分支轉移能力，I/O口的邏輯操作及位處理能力，非常適用于專門的控制功能。為了滿足廣泛使用便攜式系統(tǒng)，許多單片機內的工作電壓僅為1.8V3.6V，而工作電流僅為數百微安。單片機內具有計算機正常運行所必需的部件。芯片內外部有許多供拓展用的三總線及并行、串行輸入/輸出管腳，很容易構成各種規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。單片機的性能極高，單片機的尋址能力也已突破64KB限制，有的已經達到1MB和16MB，片內的ROM容量可達62MB，RAM容量則可達到2MB。由于

18、單片機的廣泛應用，因而銷量很大，各大公司的商業(yè)競爭更使價格十分低廉，其性能價格比極高。3.2 單片機的應用領域單片機的應用領域十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種領域一旦用上了單片機，就能起到使產品更新?lián)Q代的功效，并且常在產品名稱前冠以形容詞“智能型”如智能型空調。3.3 單片機的分類單片機作為計算機發(fā)展的一個重要分支領域，根據發(fā)展情況，從不同角度，單片機大致可分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家用型。3.3.1 通用型單片機按照單片機的適用范圍來講，通用型單片機并不是為某種專門用途而設計，例如80C51單片機（如圖2.2）。專用型單片機是針對一類產

19、品甚至某一個產品而設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，芯片內集成ACD接口等功能的溫度測量控制電路。圖3.2 8051單片機3.3.2 總線型單片機這是按照單片機大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和接口集成度高。另外80C51單片機即使通用型又是總線型，還可以作工控用。3.4 單片機的發(fā)展歷史單片機誕生于1971年，經歷了SCM、MCU、SOC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051,此后在8051上發(fā)展出了MCS51系列的MCU系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)

20、直到現在還在廣泛的使用。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發(fā)展，單片機技術得到了巨大的提高。隨著INTELi960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速的提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。高端的32位SOC單片機主頻超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。第四章 控制系統(tǒng)的構成單片機直流調速系統(tǒng)可實現對直流電動機的平滑調速.PWM是通

21、過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載的兩端電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。在PWM系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，根據需要來改變周期內“接通”和斷開時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的占空比，來改變電壓的大小，來對電動機的轉速進行控制。本系統(tǒng)以80c51單片機為核心，通過控制，C語言編程實現對直流電動機的平滑調速。本控制系統(tǒng)以單片機系統(tǒng)為依托，根據PWM調速的基本原理，以直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機上的轉速，實現直流電動機的平滑調速，對電動機運轉的方向及速度進行性改變。系統(tǒng)構成總共分為兩大部分一部分為硬件設施，一部分為軟件設施

22、，硬件部分是前提，是構成整個系統(tǒng)的基礎，為軟件系統(tǒng)的運行提供一個良好的運行平臺。軟件部分是對硬件端口的信號，加以采集、分析、處理，最終實現控制器所需要的各項功能，進而控制器可以對電動機進行有效的調速。4.1 總體硬件電路設計4.1 硬件設計總體框圖系統(tǒng)采用80C51控制輸出數據，PWM信號由PWM信號發(fā)生電路產生，輸送到直流電動機，通過測試電路、濾波電路、和A/D轉換電路直流帶你冬季將數據重新傳回單片機內，進行PI控制，從而實現對電動機速度以及方向的控制，達到直流電動機調速的目的。（如圖4.1）圖4.1 系統(tǒng)總體設計框圖4.1.1 80C51單片機的基本組成及介紹80C51單片機由CPU和八個

23、部件組成，他們都通過單一總線連接，基本結構是CPU加上外圍芯片的模式，在功能單元的控制則是上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。（如圖4.2）圖4.2 8051基本結構圖4.1.2 80C51單片機的CPU及部分部件的介紹CPU又稱為中央處理器，它是單片機的核心，具有完成運算和控制的功能。內部數據存儲器：80C51芯片中共有256個RAM單元，能作為存儲器使用的有128個單元。其地址為00H-7FH，建成內部RAM。內部程序存儲器：80C51單片機內共有4K個單元，用于存儲程序、原始數據或表格，簡稱ROM。定時器：80C51單片機內共有2個16位定時器，用來定時或者計數功能，并且以其定時或計數

24、結果對計算機進行控制。中斷系統(tǒng)：80C51單片機內共有5個中斷源，其中外部中斷兩個，定時/計數中斷兩個串行中斷1個。4.2 單片機系統(tǒng)中所用其他芯片選型4.2.1 地址鎖存器地址鎖存器可以選擇多種，有地址鎖存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等，8282是地址鎖存器，功能與74LS373類似，但本系統(tǒng)選用74LS373作為地址鎖存器（如圖4.3），考慮到其應用的廣泛性以及具有良好的性價比，成為目前在單片機系統(tǒng)中應該較廣泛的地址鎖存器。74LS373片內是8個輸出帶三態(tài)門的D鎖存器。當使能端呈高電平時，鎖存器中的內容可以更新，而在返回低電平的瞬間實現鎖存。如果此時芯片的輸出控制

25、端為低，也即是輸出三態(tài)門打開，鎖存器中的地址信息便可以通過三態(tài)門輸出。圖4.3 74LS373引腳圖4.2.2 程序存儲器單片機的程序存儲器是單片機的一個重要組成部分，其中程序存儲器是單片機中的重要存儲器，但是由于其存儲空間不足，常常需要對單片機的存儲器進行擴展，擴展程序存儲器常用芯片有EPROM（紫外線可擦除型），另外還有+5V電擦除E2PROM等。本論文采用的程序存儲器擴展芯片為16K的27128（如圖4.4），EPROM紫外線可擦除型擴展芯片為程序擴展芯片，其優(yōu)點是可以在滿足程序要求的前提下還有一定的拓展空間，可以滿足今后的程序拓展。圖4.4 27128引腳圖4.2.3 數據存儲器805

26、1單片機有128B RAM，當數據量超過128B時也需要將數據存儲區(qū)進一步的擴展。常用的RAM芯片分靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)RAM有6116，6264等。動態(tài)DRAM2164，另外還有集成IRAM和E2PROM。而后者具有斷電保護數據的功能一般數據擴展常使用隨機存儲芯片，多是6116（2KB）或6264（8KB）等。本系統(tǒng)采用了后者。圖4.5 6246引腳圖4.2.4 單片機擴展電路分析圖4.6 單片機擴展電路4.3 PWM信號發(fā)生電路設計4.3.1PWM的基本原理PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，對負載兩端的電壓進行改變，從而達到需求電壓。在系統(tǒng)中可以按照一個固定的頻率來斷開或是接通電

27、源，并根據要求來改變周期內的“接通”或是“斷開”。改變平均電壓大小則是通過改變直流電動機上的“占空比”來達到，對電機的轉速進行調整。（如圖4.7）圖4.7 PWM方波假設電機始終接通電源時，電機轉速最大為Vmax，占空比為D=t1/T,則Va=VmaxD，Va為電機的平均速度。由公式可得，我們若是要改變電機轉動速度Va，只需要改變占空比D=t1/T就可得到，從而達到調速的目的。其實平均速度Va與占空比D并非嚴格的線性關系，在一般應用中可以將它們看成近似的線性關系。4.3.2 PWM信號發(fā)生電路設計圖4.8 PWM信號發(fā)生放大電路PWM波可以由單片機編程產生，也可通過專用的PWM芯片來實現。當P

28、WM波太高時，對于直流電機驅動的功率要就就變和非常高，而當功率過低時，其產生的電磁噪聲就比較大，在實際應用中，PWM波頻率最好的階段是在18KHz左右。本系統(tǒng)內，PWM信號發(fā)生器采用了兩片四位數值比較器4585和一片12位串口計數器4040組成。兩片4585比較器，就是上圖的U2、U3的A組接12位串行4040計數輸出端Q2-Q9，而U2、U3的B組接到單片機P1端口。只要改變P1端口的輸出值，那么就可以使得PWM信號的占空比發(fā)生變化，從而進行調速控制。12位串口計數器4040的計數輸入端CLK接到單片機C51晶振的振蕩輸出XTAL2。當計數器4040來到8個脈沖，其輸出Q2-Q9加1，當計數

29、值小于或者等于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（AB）輸出端保持為低電平，而當計數值大于單片機P1端口輸出值X時，圖中U2的（AB）輸出為高電平，隨著計數值的增加，Q2-Q9由全“1”變?yōu)槿?”時，圖中U2的（AB）輸出端有變?yōu)榈碗娖?，就這樣在U2的（AB）端得到了PWM的信號，它的占空比為（255-X/255）100%，那么通過改變X的數值，就可以得到相應的PWM信號的占空比，從而進行直流電機的轉速控制。所以依據此方法，單片機只要改變輸出量X的值，而PWM信號由三片通用數字電路產生，這樣不僅使得軟件大大的簡化，又利于單片機系統(tǒng)的正常工作。單片機上電復位時P1口的輸出全為“1”，使用數值

30、比較器4585的B組與P1端口相連，升速是P0端口輸出X按一定的規(guī)律減少，而降速是按一定規(guī)律增大。4.3.3 PWM發(fā)生電路主要芯片工作原理數據比較器74LS6828、74LS6838等8位數值比較器芯片具有比較功能。4位數值比較器4585等。本PWM發(fā)生電路選用4585為信號發(fā)生電路。芯片的引腳圖(如圖4.8)圖4.9 4585引腳圖串行計數器系統(tǒng)PWM信號發(fā)生電路還用到一片串行計數器，有串行計數功能的芯片有4024、4040等，他們有相同的電路結構和邏輯功能，但4020是7位二進制串行計數器，而芯片4040是一個12位的二進制串行計數器，所有計數器位為主從觸發(fā)器，計數器在時鐘下降沿進行計數

31、。當CR為高電平時，它對計數器進行清零，由于在時鐘輸入端使用施密特觸發(fā)器，對脈沖上升和下降時間沒有限制，所有的輸入和輸出均經過緩沖。本系統(tǒng)使用4040作為串行計數器.（如圖4.10）圖4.10 4040引腳圖功率放大驅動電路設計作用于功率放大的驅動芯片有很多種，其中最常用的芯片有IR2110HE和EXB841，從IR2110HE無論是從性價比還是從實用性上來講多更加的合適，所以本系統(tǒng)采用IR2110HE集成芯片，增強該系統(tǒng)的驅動能力和保護能力。IR2110是由美國國際整流器公司利用自身獨有的高電壓集成電路以及無閂鎖CMOS技術，于1990年前后開發(fā)投放市場的，IR2110是一種雙通道高壓、高速

32、的功率器件柵極驅動的單片式集成驅動器。芯片將驅動高壓側和低壓側所需的大部分功能集成在一個高性能封裝內，外接很少的分立元件就可以提供極快的功耗，它的特點在于將輸入邏輯信號換成同相地租輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到600V，內設欠壓封鎖，不僅便于調試而且成本還比較低。高壓側驅動采用外部自舉電容上電，在設計上大大減少了驅動變壓器和電容的數目，使得電路設計簡化，并且實現了系統(tǒng)的最優(yōu)驅動，除此之外還具有快速的完整的保護功能，為控制系統(tǒng)提供了極高的可靠性，降低了產品的成本和減小了產品的體積。（如圖4.11）4.11 IR2110引腳圖4.4 主電

33、路設計IR2110芯片的另外一個重要功能則是可以利用IR2110芯片完善設計可以實現巖石保護電路。IR2110使它自身可對輸入的兩個信號通道信號之間產生合適的延時，保證加到被驅動的逆變橋中同橋臂上兩個功率MOS器件的驅動信號之間有一互鎖的時間間隔，因而防止被驅動的逆變橋中兩個功率MOS器件同時導通而發(fā)生直流電源直通路的危險。4.4.1主電路產生電壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有開關的動作，在高壓側截至期間低壓側必須導通，才能給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持續(xù)，不間斷導通的。所以采取PWM信號來控制直流電動機的正轉以及他的速度。將IC1的HTN端

34、與IC2的LIN端相連，而把IC1的LIN端與IC2的HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。在HIN為高電平期間，Q1、Q4導通，在直流電機上加上正向的工作電壓，流程如下：當IC1的L0為低電平而H0為高電平的時候，Q2截止，C1上的電壓經過VB、IC內部電路和H0端加在Q1的柵極上，從而使得Q1導通；利用同樣道理使得Q4導通。電源經過Q1至電動機的正極經過整個直流電機后再通過Q4到達零電位，完成整個的回路。此時電機正轉。在HIN為低電平期間，LIN端輸入高電平，Q2、Q3導通，在直流電動機上加反向工作電壓，其具體流程如下：當IC1的L0為低電平而N0為高電平時，Q2導通且Q1

35、截止。此時Q2的漏極接近于零電平Vcc通過B1想C1通電，為Q1的又一次導通做準備，同理可知，AC2的H0為高電平而L0為低電平，Q3導通且Q4截止，Q3的漏極近乎零電平，此時Vcc通過D2向C3充電，為Q4的又一次導通做準備。電源經過Q3只電動機的負極經過整個電動機后通過Q2到達零點電位，完成整個回路。此時，直流電動機反轉。一次電樞上的工作電壓是雙極性的矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉向和轉速石油矩形脈沖電壓的平均值來決定的。設PWM的波形為T，HTN為高電平的時間為T1，這里忽略死區(qū)時間，那么LIN為高電平的時間就為T-t1。HIN信號的占空比為D=t1/T，那么電樞電壓的

36、平均值為：Vout=t1-(T-t1)V/T=(2t1-T)V/T=(2D-1)V定義負載電壓系數為，= Vout / V， 那么 = 2D 1 ；當T為常數時，改變HIN為高電平的時間t1，也就改變了占空比D，從而達到了改變Vout的目的。D在01之間變化，因此在1之間變化。如果我們聯(lián)系改變，那么便可以實現電機正向的無級調速。當=0.5時，Vout=0，此時電機的轉速為0；當0.51時，Vout為正，電機正轉；當=1時，Vout=V，電機正轉全速運行。系統(tǒng)主電路設計圖：圖4.12 系統(tǒng)主電路圖輸出電壓波形：4.13 調制后輸出波形4.4.2 系統(tǒng)總體電路圖直流電動機調速系統(tǒng)總體電路圖設計由單

37、片機產生控制PWM信號發(fā)生器產生PWM信號的數據，控制直流電動機調速電路對電機進行調速。（如圖4.14）圖4.14 系統(tǒng)總體電路圖4.4.3 測速發(fā)電機測速發(fā)電機是一種測量轉速的微型發(fā)電機，其原理就是將輸入的機械轉速轉換為電壓信號輸出，并要求輸出的電壓信號與轉速成正比，有直流和交流兩種測速電機。一般測速電機都經過精確設計，電動勢與轉速成線性關系，表述公式：E=Kn，K為常數，改變旋轉方向時，輸出的電動勢極性亦發(fā)生變化。只要檢測輸出電動勢，即可獲得電機轉速。4.4.4 濾波電路經過整流后的單向直流或單向脈動直流電，都是由強度不變的直流成分和一個以上的交流成分疊加形成的。為了使脈動直流電變的較為平

38、穩(wěn)，把其中的腳就成分濾掉，叫做濾波。濾波有電容濾波、電感濾波等。一般電容濾波更加平穩(wěn)，所以本系統(tǒng)使用電容濾波，使調速更加精確。（如圖4.15）圖4.15濾波電路4.4.5芯片的選型能夠進行A/D轉換的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D轉換器ADC0809和TLC545，其中TLC545是美國TEXAS儀器公司新推出的一種開關電容結構逐次逼近式的8位A/D轉換器，具有19個模擬輸入端。而ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數轉換的器件。其中內部有一個8通道的多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號的一個進行A/D轉換，具有地址鎖存控制的8路模擬開關，

39、應用單一的+5V電源，其模擬量輸入電壓的范圍為0V+5V，其對應數字量輸出為00H+FFB，轉換時間為100s，無需調零或者調整滿量程，因此本系統(tǒng)采用ADS0809為A/D轉換芯片。芯片共有28個引腳，其中IN,-TN接8路模擬量輸入。ALE是地址鎖存允許，、接基準電源，在精度要求不太高的情況下，供電電源就可以作為基準電源。START是芯片的啟動引腳，其上脈沖的下降沿起動一次新的A/D轉換。EOC是轉換結束信號，可以用于向單片機申請中斷或者供單片機查詢。OE是輸出允許端。CLK是時鐘端。DB0DB7是數字量的輸出。ADDA、ADDB、ADDC接地址線用以選定8路輸入中的一路。（如圖4.16）圖

40、4.16 ADC0809引腳圖4.5 系統(tǒng)軟件的設計4.5.1 PI轉速調節(jié)器原理圖及參數的計算：PID轉速調節(jié)器電容值關系：Kn = Rn/ R0 n = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con參數求法： 電動機 P=10KW U=220V I=55A n=1000轉/分 電樞電阻R=0.5歐姆 取濾波電路中Ro=40千歐 Rn=470千歐 Cn=0.2uF Con=1uF 則：Umax=220VUmin=（220/0.9）*0.5=122VYi-1=0 W=1000轉/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1254.5.2系統(tǒng)中的部分程序設計軟件由一個主程序、一個

41、中斷子程序和一個PI控制算法子程序組成。主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是，設定好速度初值，這個初始值與測速電路送來的值相比較得到一個誤差值，然后用PI算法輸出控制系數給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進而控制電機的轉速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。主程序主程序是一個循環(huán)程序，其主要思路是由單片機P1口生數據送到PWM信號發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進而控制電機的轉速。主程序流程圖：圖4.17主程序流程框圖第五章 軟件調試及仿真5.1 軟件的調試在程序編寫的過程中，出現了很多問題，包括鍵盤掃描處理、

42、PWM信號發(fā)生電路的控制、以及單片機控制直流電機的轉動方向等問題，雖然問題不是很大，但是也讓我研究了好長時間，在解決這些問題的時候，我不斷向老師和同學請教，希望能通過大家一塊的努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經過多天的努力探索，也經過老師的指導，大部分問題都已經解決，就是程序還是不能實現應該實現的功能，這讓我很著急。后來經過一點一點的調試，并認真總結，發(fā)現了問題其實在編寫中斷處理程序時出現了錯誤，修改后即可實現直流電機調速的目的?？偨Y這次軟件調試，讓我認識到了做軟件調試的基本方法與流程：（1）認真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯誤（2）逐段子程序進行設計，找出錯誤出現的部分，重點排查（3）找到合適的方法，仔細檢查程序，分步調試直到運行成功5.2 系統(tǒng)的仿真仿真軟件選擇Proteus ，在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當程序在Keil C中調試通過后，會生成以hex為擴展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proteus中成功進行仿真的文件。將些文件加載到單片機仿真系統(tǒng)中，驗證是否能完成對直流電機的速度調節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調試步驟，進行軟件調試。找出錯誤所在，更正后重新運行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設計完全按照論文設計方案進行