2016届毕业设计
专业英文翻译
院、部：电气与信息工程学院
学生姓名：刘泰波
指导教师：邓宝燕职称工程师专业：电气工程及其自动化班级：电气本1205班
学号：1230140521
完成时间：2016年5月
基于PWM直流电机的自动闭环速度控制系统
摘要
抽象—电力驱动系统由于其自身的易于可控性被应用于许多需要更高的可靠性、变速性的工业领域。在精度和保护应用程序当中直流电机的速度控制是非常至关重要的。电动机转速控制器的设计目的是将发送过来的数据信号转化为驱动电机的转动速度。微型控制器可以提供简单的直流电机控制系统。基于单片机的速度控制系统由电子元件、微型控制器和液晶显示器。在本文，在经过考察调查后的直流电机速度控制的直流斩波器是由ATmega8L单片机实现的。控制PWM 工作周期的原理相似于控制电机端的电压，由此从而可以直接调整电机速度。这是一个根据经济的视角和准确性而具有很高的实用性和可行性的工作。在这个工作中，闭环直流电机速度控制系统的硬件软件开发进行解释和说明。期望目标是在任何负载条件下实现系统的恒速。这就意味着电机将在不同的负载下运行一个稳定的速度。
介绍
通过使用机械和电机技术可以控制直流电机的速度。在过去，大多数通过机械和需要大尺寸的硬件来实现直流驱动器的速度控制。这些驱动器的强大相关性是迄今为止将给ac驱动器开发推出的。一些重要的应用：轧钢厂、造纸产络筒机、起重机、机床、牵引、印刷机、纺织厂、挖掘机和起重机。部分马力功率单位的直流驱动器被广泛使用-伺服定位和跟踪方法[1]。可控整流器提供由一个固定的直流电压可变为一个可变的直流电压。由于他们的能力提供了一个连续可变的直流电压，可控整流器，直流截波器在现代工业设备和变速驱动器领域起到了革命性作用[2]。调速驱动器可能是通过控制电枢或激励的方式被广泛的操作。
晶体管和半导体闸流管以及各种模拟数字芯片用于发射或控制电路使直流驱动器在无数领域的应用当中更容易控制[3]。最近在半导体技术发展领域不仅已经取得了更小、更快的处理器，而且微型控制器创新开发的成本大大降低[4]。微型处理器的潜在使用功能来控制一些或者是所有的电子功能用来证明其它们的使用性。这项工作的主要目的是熟悉硬件的设计和实现一个基于单片机的直流电机闭环速度控制与操作员在过载条件下给与的发生过载情况。电动机转速控制器的目标是将一个信号转化为所需的速度和驱动电机的速度。
相关工作
关于就业的固态设备控制的直流驱动器在一个合理数量的作品文献当中能够被发现。在Kurnera的论文《Dayananda and Jayawikrama》，阐明斩波器与
PC控制直流电机速度的协作使用性。软件被开发，输送至PC电脑，因此通过计算机调速的渠道把指令输送给斩波器[3]。使用独立的微型控制器可以在直流电机的速度控制取得很大的进展。Nicolai和Castgnct在他们的论文中阐述了一个单片机是如何被用于速度控制的。操作系统可以概括为：整流电压驱动形式，它是由斩波器的微型控制单元（MCU）产生的PWM信号。电机的电压控制是通过测量整流电源电压模拟到数字转换器而其它的微型控制器并相应的调整PWM信号占空比[5]。另一个系统，它是在Khoel和Hadidi的工作报告下使用一个微型处理器，其系统的简要描述如下：通过传感终端电压和电流微型处理器从而计算电机的实际速度，然后比较电机的实际速度与参考速度并进而生成一个输入触发单元的合适控制信号。本单元驱动器是一个依次轮流提供了一种脉宽调制电压的直流电机H桥式电力场效应晶体管放大器[6]。本文是以具有精度高、可靠性高和适应不同电动机等级具有良好响应速度的固定直流电机速度控制系统。
方法
在这里计划建立这样一个地址如上所述的系统方案。随着系统是基于一个直流电机的速度控制，所以期望的目的是实现一个在任何负载条件下保持恒定的转速。这就意味着电动机将以固定的速度运行在任何负载条件。它不会伴随负载的数量。软件是由以这样一种即使是一个不熟练的操作员就可以操作它的方式。本系统描述的是设计和实现基于单片机的闭环直流电机速度控制器，通过PWM和直流斩波器控制直流电机的速度。
在实施这项工作频率当中，独立的PWM工作周期可以生成0%到100%不等范围输出变量。此外，一个液晶显示器被制造成一个可以提供完整的用户界面单元的显示输出装置。因此，系统是完全独立的友好用户。突然地负荷下降，电机的速度将会非常的高。因此，输出电压也将非常的高。所以控制器单元将输出与所需电压一致的电压水平。
在过度符合的情况下，电机不能按照它所需的速度要求正常运行，然后OCR 将开始增加直到它达到最大值。达到最大值后，若仍没有改进的速度，也就是输出电压不匹配所需的水平，单片机就会使用液晶显示器发出一条“超负荷”消息，以便使用者可以理解条件，因此减少电动机负载。
A.系统概述
通过斩波器的直流源控制电机。测速发电机的感官速度作为电压输出。这个电压是作为基于单片机的驱动电机速度输出。控制器和单片机决定了所需直流电机速度的输出电压。
B.电路描述
电路是基于PWM技术。ATmega-8定时器部分有特殊的功能。通过调整寄存器值（ocr，ccr等）占空比方式可以进行控制。当电动机运行在70%的工作周期，测速发电机的电压对应于这个速度值。如果发生在任何负载的情况下。期望的速度值将会下降。因此，电压将会下降得更少。这个电压值是输入单片机的ADC。通过比较微型控制器可以预知前一个值的下降速度。感应负载条件之后，它将开始增加其工作周期，直到达到所需的速度。在过载条件下，单片机将通过增加工作周期努力达到所需的速度。但是如果在最大工作周期下还不能运行，它将通过液晶显示面板向用户显示一条信息。这个消息表明了超载。现在，用户可以通过减少负载的方式再次运行机器所需要的速度。
C.脉冲宽度调制
脉宽调制是一种提供电能之间充分中间量和完全关闭的有效方式。当开启时是一个典型电源提供的简单电源开关全功率。脉宽调制是一种相对于最近的技术，制造出使用的现代电子功率开关。单片机，ATmega8有3定时器/计数器。其中，定时器/计数器1和2是PWM的特色。对于不同的直流电机速度我们使用定时器/counter2（8位）生成PWM。在这里我们使用阶段正确的模式。再次，它有两种operation-inverted和non-inverted不同的模式。这里本文决定使用non-inverted模式。
图1 电动机控制器部分
图2 系统设计
D.传感器设计
另一个用于速度传感为目的性的电机被称为测速发电机。测速发电机是配有连接到终端的马达和电位计的装置。测速发电机根据电机的转速通过电位计使之电压降落。如果电机在低速运行时，它将提供一个较低的数值。当它运行到最大速度时，它会给出一个更大数值的电压。
E.ADC设备
ADC有n位分辨率，n可以表示为8、10、12、16甚至24位。高分辨率ADC 提供了一个更小的步长，可以通过ADC看出步长是最小的变化。AT-Mega-8有10位连续近似寄存器型ADC其具有6条多路复用通道。
结果与讨论
可以讨论如下获得的预期结果。
A.斩波电路输出
这是一个以晶体管我基础的一个固定频率脉冲产生的微型控制器。晶体管作为开关。电动机的输出电压取决于晶体管的时间数量。晶体管在更多的电压基础上会保持更多的时间。一个随心所欲的二极管被用于e.m.f保护其他部分。
表1 在不同占空比下的电动机端电压
D (Duty cycle) Voltage Using Voltage
Equation(V) Measured by
Multimeter(V)
0.1 1.2 3
0.3 3.6 3.5
0.5 6 7.8
0.7 8.4 10
0.9 10.8 11.6
0.1 12 11.6
B.传感器输出
通过改变控制器寄存器OCR（输出比较寄存器）工作周期发现在不同占空比下的输出电压如图3所示。当占空比达到100%时，系统显示立即反应的最大电压输出。
图3 占空比和输出电压
通过单片机ADC的电位计压降。根据ADC的数值，单片机以决定是否将脉冲宽度增加或者是减少。
图4 线路图
结论
介绍了基于单片机的直流电机闭环速度控制。通过测速发电机将会使用一个ATmega8L单片机实现控制永磁直流电机速度反馈。系统将友好的让用户可以任何的操作这个系统没有任何麻烦。具备液晶显示器是显示系统显示的条件。了解情况，用户可以在必要的时候改变负载的数量。
PWM Based Automatic Closed Loop Speed Control
of DC Motor
Atul Kumar Dewangan1, Nibbedita Chakraborty2, Sashi Shukla3, Vinod Yadu4
1Department of Electrical Engg, BIT (Durg)
2 Department of Computer Science Engineering Engg, KGP (Raigarh)
3Department of Electronics and Telecommunication Engineering KGP (Raigarh)
4Department of Electrical Engineering KGP (Raigarh)
Chhattisgarh Swami Vivekanand Technical University
Bhilai ,Chhatisgarh, India
Abstract
Abstract- The electric drive systems used in many industrial applications require higher performance, reliability, variable speed due to its ease of controllability. The speed control of DC motor is very crucial in applications where precision and protection are of essence. Purpose of a motor speed controller is to take a signal representing the required speed and to drive a motor at that speed. Microcontrollers can provide easy control of DC motor. Microcontroller based speed control system consist of electronic component, microcontroller and the LCD. In this paper, implementation of the ATmega8L microcontroller for speed control of DC motor fed by a DC chopper has been investigated. The chopper is driven by a high frequency PWM signal. Controlling the PWM duty cycle is equivalent to controlling the motor terminal voltage, which in turn adjusts directly the motor speed. This work is a practical one and high feasibility according to economic point of view and accuracy. In this work, development of hardware and software of the close loop dc motor speed control system have been explained and illustrated. The desired objective is to achieve a system with the constant speed at any load condition. That means motor will run at a fixed speed instead of varying with amount of load.
INTRODUCTION
Speed control of dc motor could be achieved using mechanical or electrical techniques. In the past, speed controls of dc drives are mostly mechanical and requiring large size hardware to implement. The development has launched these drives back to a position of formidable relevance, which were hitherto predicted to give way to ac drives. Some important applications are: rolling mills, paper mills mine winders, hoists, machine tools, traction, printing presses, textile mills, excavators and cranes. Fractional horsepower dc drives are widely employed -as servo means for positioning and tracking [1]. Controlled rectifiers provide a variable dc voltage from a fixed dc voltage.
Due to their ability to supply a continuously variable dc voltage, controlled rectifier and dc choppers made a revolution in modern industrial equipment and variable-speed drives [2]. Adjustable speed drives may be operated over a wide range by controlling armature or field excitation.
Transistor and thyristor along with various analog digital chips used in firing or controlling circuits have made dc drives more accessible for control in innumerable areas of applications [3]. Recent developments in the area of semiconductor technology have made smaller, faster microprocessors and microcontrollers available at reduced cost. [4] .The potential use of microprocessors to control some or all electronic functions justifies their use. The main objective of this work is to become familiar with the design and implementation of both software and hardware of a microcontroller based closed loop speed control of DC motor and to give senses of occurring overload condition to the operator at overload condition. The purpose of a motor speed controller is to take a signal representing the required speed, and to drive a motor at that speed. RELATED WORKS
A reasonable number of works have found in the literature, regarding the employment of solid-state devices for the control of dc drives. The paper of Kurnera, Dayananda and Jayawikrama, elucidated the use of chopper in collaboration to PC for the control of dc motor speed. Software was developed, fed into a PC and consequently, commands were given to the chopper via the computer for control of motor speed [3].The use of standalone micro controller for the speed control of DC motor is past gaining ground. Nicolai and Castgnct have shown in their paper how a microcontroller can be used for speed control. The operation of the system can be summarized as: the drive form rectified voltage; it consists of chopper driven by a PWM signal generated from a microcontroller unit (MCU). The motor voltage control is achieved by measuring the rectified mains voltage with the analog to-digital converter present other micro controller and adjusting the PWM signal duty cycle accordingly [5]. Another system that uses a microprocessor is reported in the work of khoel and Hadidi a brief description of the system is as follows: The microprocessors computes the actual speed of the motor by sensing the terminal voltage and the current, it then compares the actual speed of the motor with the reference speed and generates a suitable signal control signal which is fed into the triggering unit. This unit drives an Hbridge Power MOSFET amplifier, which in turn supplies a PWM voltage to the DC motor [6].
In this paper, a dc motor with fixed speed control system is presented, which has high precision, reliability and adaptability for different motor ratings with good speed response.
METHODOLOGY
A scheme that address on building up such a system as described above is presented in here. As the system is based on the speed controlling of a DC motor, so the desired goal is to achieve a system with constant speed at any load condition. That means motor will run at fixed speed at any load condition. It will not vary with the amount of load. The software is made in such a way that even an unskilled operator can operate it. This system describes the design and implementation of the microcontroller based closed loop DC motor speed controller that controls the speed of a DC motor by using PWM and DC chopper.
In implementing this work frequency, independent PWM output with variable duty cycle that can vary from 0% to 100% is generated. Furthermore, an LCD display was fabricated to display the output; this kind of setup provides a complete user interface unit. Hence the system is complete stand-alone and user friendly. In case of sudden load drops, the speed of the motor will be very high. As a result, output voltage will be also very high. Therefore, controller unit will sense output voltage and will compare with the desired level of voltage.
In case of excessive load, motor cannot run at its desired speed, and then OCR will start increasing until reaches its maximum value. After reaching the maximum value, there remains no improvement of the speed, i.e. output voltage does not matches the desired level then microcontroller will send a message "OVERLOAD" using the LCD, so that the user can understand the condition and hence reduce the load of the motor.
A. System Overview
The motor to be controlled is fed by a DC source through a chopper. The tachogenerator senses the speed, which gives voltage as output. And this voltage is fed to the microcontroller to drive the speed of the motor. The output voltage of tachogenerator is provided to the microcontroller and microcontroller determines the output voltage of the chopper fed to the DC motor for desired speed.
B. Circuit Description
The circuit is based on PWM technique. ATmega-8’s timer portion has this special feature. By adjusting register values (ocr, tccr etc) duty cycles can be controlled. When
motor run at 70% of duty cycle, the tachogenerator gives a Voltage corresponds to that speed. Now if any load occurs, desired speed will be decreased. Hence, the voltage drop will be less. This voltage is fed into the ADC of microcontroller. By comparing the previous value microcontroller can sense the decrease in the speed. After sensing the load condition, it will start increasing its duty cycle until it reaches the desired speed. During overload condition, Microcontroller will try to reach the desired speed by increasing duty cycle. But if at the maximum duty cycle it fails to run it will show a message to the user through A LCD panel. The message indicates OVERLOAD. Now user can run the machine again at desired speed by decreasing the load.
C. Pulse Width Modulation
PWM is a very efficient way of providing intermediate amounts of electrical power between fully on and fully off. A simple power switch with a typical power source provides full power only, when switched on. PWM is a comparatively recent technique, made practical by modern electronic power switches. The microcontroller, ATmega8 has 3 timers/counter. Among them, timer/counter 1 and 2 are featured with PWM. We have used timer/counter2 (8-bit) to generate PWM for varying the speed of DC motor. We used Phase correct mode here. Again, it has 2 different mode of operation-inverted and non-inverted mode. Non-inverted mode is used here.
Fig. 1 Motor Controller Sections
Fig. 2 System Programmer
D. Sensor Design
Another motor is used for speed sensing purpose is called the tachogenerator. For a DC motor voltage is directly proportional to the speed. The tachogenerator is coupled with the motor and a potentiometer is connected to the terminal of the tachogenerator. Tachogenerator gives voltage drop across the potentiometer according to the speed of the motor. If the motor runs at a low speed, it gives a lower value. When it runs at its maximum speed, it gives a larger amount of voltage.
E. ADC Device
ADC has n-bit resolution where n can be 8,10,12,16 or even 24 bits. The higher resolution ADC provides a smaller step size, where step size is the smallest change that can be discerned by an ADC. AT -Mega-8 has one 10 bit Successive Approximation Register type ADC with 6 multiplexed channels.
RESULTS & DISCUSSION
The results obtained are as expected which can be discussed as follows.
A. Chopper circuit output
A pulse with fixed frequency is generated by the microcontroller, which is fed to the base of transistor. Transistor acts here as a switch. The output voltage of the motor is dependent on the amount of the on time of the transistor. The more time transistor remain on more the voltage will produce. A Freewheeling diode is used for back e.m.f. protection given to other portion.
TABLE I
MOTOR TERMINAL VOLTAGE AT VARIOUS DUTY CYCLES
D (Duty cycle) Voltage Using Voltage
Equation(V) Measured by
Multimeter(V)
0.1 1.2 3
0.3 3.6 3.5
0.5 6 7.8
B. Sensor output
Output voltages at different duty cycles has found by varying the duty cycle controller register OCR (output compare register) shown in Fig.3. The system shows the immediate response of maximum output voltage when 100% duly cycle is achieved.
Fig.3 Duty cycle vs. Output voltage
The voltage drop across the potentiometer fed to ADC of the microcontroller. According to the ADC value, microcontroller will take decision whether pulse width needs increment or decrement.
0.7 8.4 10 0.9
10.8 11.6 0.1 12 11.6
Fig. 4 Circuit diagram
CONCLUSION
The microcontroller based closed-loop automatic speed control of dc motor has been introduced. Controlling a permanent magnet DC motor with speed feedback through a tachogenerator will be implemented using an ATmega8L microcontroller. The system will be made user friendly so that Anybody can operate the system without any trouble. LCD display will used to show the condition of the system. Knowing the condition the user can change the amount of load if necessary.
河南科技大学 课程设计说明书 课程名称现代电子系统课程设计题目＿直流电机控制设计 学院＿＿电子信息工程学院＿＿＿＿班级＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 学生姓名＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 指导教师＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
日期＿＿＿＿＿＿＿ 课程设计任务书 （指导教师填写） 课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名专业班级 设计题目直流电机控制设计 一、课程设计目的 学习直流电机PWM的FPGA控制； 掌握PWM控制的工作原理； 掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法； 了解基于FPGA的电子系统的设计方法。 二、设计内容、技术条件和要求 利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制。 （1）基本要求： a．速度调节：4档，数字显示其档位。 b．能控制电机的旋转方向。 c．通过红外光电电路测得电机的转速，设计频率计用4位10进制显示电机的转速。 （2）发挥部分 a．设计“去抖动”电路，实现直流电机转速的精确测量。 b．修改设计，实现直流电机的闭环控制，旋转速度可设置。 c．其它。 三、时间进度安排 布置课题和讲解：1天 查阅资料、设计：4天 实验：3天 撰写报告：2天 四、主要参考文献 何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社2008.1 潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社2006.10 齐晶晶《现代电子系统设计》实验指导书电工电子实验教学中心2009.8
指导教师签字：2010年12月30日 摘要 利用FPGA可编程芯片及VHDL语言实现了对直编程实现流电机PWM控制器的设计，对直流电机速度进行控制。介绍了用VHDL语言编程实现直流电机PWM控制器的PWM的产生模块、转向调节模块、转速控制模块、去抖动电路模块、电机转速显示等模块功能。 采用CPU控制产生PWM信号，一般的PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端按给定的参考电压，另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。若用单片机产生PWM信号波形，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。 FPGA中的数字PWM控制与一般的模拟PWM控制不同，用FPGA产生PWM波形，只需FPGA 内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，数字比较器的一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值大于设定值时输出高电平。与模拟控制相比，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单，便于控制。脉宽调制式细粉驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着PWM脉宽细分数的增大而减小。 直流电机控制电路主要由三部分组成： （1）FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路。 （2）FPGA中的工作/停止控制和正/反转方向控制电路。 （3）由功率放大电路和H桥组成的正反转功率驱动电路 关键词
实验五直流电机闭环调速控制 2011级测控一班王婷婷 2011134128 一、实验目的 1．掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法； 2．了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。 二、实验设备 计算机控制技术（二）、PCI数据采集卡（含上位机软件） 三、实验原理 直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。 功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。 PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1.PWM的工作原理 图5-1 PWM的控制电路 图5-1所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图5-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。 2．功放电路 直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。 3．反馈接口 在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。 磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。 4．直流电机控制系统如图13-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。
十二、直流电动机速度控制模型建立 如图所示，a R 和a L 分别为电枢回路电阻和电感，a J 为机械旋转部分的转动惯量，f 为旋转部分的粘性摩擦系统，)(t u a 为电枢电压，)(t n 为电动机转动速度，)(t i a 为电枢回路电流。 通过调节电枢电压)(t u a ，控制电动机的转动速度)(t n 。电动机负载变化为电动机转动速度的干扰因素，用负载力矩)(t M d 表示。 根据直流电动机的工作原理及基尔霍夫定律，直流电动机有四大平衡方程： （1）电枢回路电压平衡方程 )()()(t u E t i R dt t di L a a a a a a =++ 式中，a E 为电动机的反电势。 （2）电磁转矩方程 )()(t ia K t M a w = 式中，)(t M w 为电枢电流产生的电磁转矩，a K 为电动机转矩系数。 （3）转矩平衡方程 )()()()(t M t M t fn dt t dn J d w a +=+ 式中，a J 为机械旋转部分的转动惯量，f 为旋转部分的粘性摩擦系数。 （4）由磁感应关系，得 )(t n K E b a = 根据上述的四个平衡方程式，可建立起系统的输出量、干扰量与输入量之间的传递函数 b a a a a a a a a a K K f R s J R f L s L J K s U s N ++++=)()()(2 a a a a d R s L K s U s M +-=)()( 建立起直流电动机的结构图为
直流电动机参数为 Ω =0.2a R ， 015.0,015.0,5.0===b a a K K H L ,Nms f 2.0=,202.0m kg J a ?=。 得到系统的阶跃响应曲线为
第一章：概述 直流电动机是人类发明最早和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复、维护苦难，价格昂贵等缺点制约了它的发展，应用不及交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。 转速调节的主要技术指标是：调速范围D和负载变化时对转速的影响即静差率，以及调速时的允许负载性质等（静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小，表示转速稳定性越好，对生产机械，如机床加工的零件，其加工的精度及表面光洁度就越高）。而直流电动机的突出优点是恰好是能在很大的范围内具有平滑，平稳的调速性能，过载能力较强，热动和制动转矩较大。 因此，从可靠性来看，直流电动机仍有一定的优势。 调节直流电动机转速的方法有三种： （１）电枢回路串电阻； （２）改变励磁电流； （３）改变电枢回路的电源电压； 而本文从另一个角度来阐述直流电机的速度控制，即利用自动控制中的反馈来调节电机的平稳运行以达到各项性能指标。
第二章：系统数学模型 本系统的简化方框图为： 其对应的原理图为： 控制系统的被控对象为电动机（带负载），系统的输出量是转速w ，参数亮是Ui 。控制系统由给定电位器、运算放大器1（含比较作用）、运算放大器2（含RC 校正网络）、功率放大器、测速发电机、减速器等部分组成。 工作原理为：当负载角速度ω和电动机角速度m ω一致的时候，反馈电压为0，电机处于平衡状态即电动机运行稳定。当负载的角速度收到干扰的作用时，ω和m ω失谐，控制系 统通过反馈电压的作用来改变m ω直到达到新的一致使系统恢复稳定，电机稳定运行。
2.1直流电动机的数学模型： 直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制，因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比，通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。图2.2是一个电枢控制式直流电动机的原理图。在这种控制方式中，激磁电流恒定，控制电压加在电枢上，这是一种普遍采用的控制方式。 设为输入的控制电压 电枢电流 为电机产生的主动力矩 为电机轴的角速度 为电机的电感 为电枢导数的电阻 为电枢转动中产生的反电势 为电机和负载的转动惯量 根据电路的克希霍夫定理 (2-1) 电机的主动转矩 (2-2) 其中为电机的力矩常数。 反电势 (2-3) 式中为电机反电势比例系数 力矩平衡方程
滨江学院 专业综合设计 题目直流电机闭环调速系统控制 院系自动控制 专业自动化 组别第二组 组长周未政 指导教师周旺平 二0 一0 年十二月二十八日基于单片机的直流电机闭环调速控制系统
摘要：设计以AT89C51单片机控制模块为核心，由单片机控制、红外线光电检测装置、直流电机转速为被测量组成的控制系统。原理是利用红外线光电传感器接收直流电机转速所产生的红外信号转换成电信号传输给单片机，并调节转速的闭环调速控制系统。 1.AT80C51单片机介绍 1.1主电源引脚 V ss—(20脚)：电路地电平 V cc—(40脚)：正常运行和编程校检（8051/8751)时为+5V电源。 1.2外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL1—(19脚)：接外部晶振的一个引脚. 在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器. 当采用外部振荡器时，此引脚应该接地. XTAL2—(18脚)：接外部晶振的另一个引脚. 在片内接至振荡器的反相放大器的输出和内部时钟发生器的输入端. 当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 1.3控制、选通或电源复用引脚 RST/V pd—(9引脚)： RST即Reset（复位)信号输入端。 ALE/PROG—(30引脚)： ALE，允许地址索存信号输出。 PSEN—(29脚)：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。. V pp/EA—(31引脚)： EA为访问内部或外部程序存储器选择信号。 1.4多功能I/O口引脚 P0口—（32-39脚)：8位漏极开路双向并行I/O接口. P1口—（1-8脚)： 8位准双向并行I/O接口. P2口—（21-28脚)：8位准双向并行I/O接口. P3口—（10-17脚)：具有内部上拉电路的8位准双向并行I/O端口。它还提供第二特殊功能，具体含义为： P3.0—(10脚)RXD：串行数据接收端。 P3.1—(10脚)TXD：串行数据发送端。 P3.2—(10脚)INT0：外部中断0请求端，低电平有效。 P3.3—(10脚)INT1：外部中断1请求端，低电平有效。. P3.4—(10脚)T0：定时器/计数器0外部事件计数输入端。.
直流电机转速控制 课程设计 姓名： 学号： 班级：
目录 1．直流电机转速控制方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2设计框图 (2) 2．直流电机转速控制硬件设计 (3) 2.1主要器件功能 (3) 2.2硬件原理图 (6) 3．直流电机转速控制软件设计 (7) 4．调试 (8) 4.1硬件测试 (8) 4.2软件调试……………………………………………………………(11
1．直流电机转速控制方案设计 1.1设计要求 通过设计了解如何运用电子技术来实现直流电机转速控制，完成直流电机转向和转速的控制，提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。 1、用按键1控制旋转方向，实现正转和反转。 2、电机的设定转速与电机的实际转速在数码管上显示。 3、旋转速度可实时改变。 1.2设计框图 本课题中测量控制电路组成框图如下所示： 图1
2．直流电机转速控制硬件设计 2.1主要器件功能 1、L298N 是专用驱动集成电路，属于H 桥集成电路，与L293D 的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。此外可能通过使能端的高低电平的变换,从而使电机通断,来控制电机的转速。 图2 板上的EN1 与EN2 为高电平时有效，这里的电平指的是TTL 电平。EN1 为IN1 和IN2 的使能端，EN2为IN3 和IN4 的使能端。POWER 接直流电源，注意正负，电源正端为VCC，电源地为GND。 2、ZLG7290的核心是一块ZLG7290B芯片，它采用I2C接口，能直接驱动8位共阴式数码管，同时可扫描管理多达64只按键，实现人机对话的功能资源十分丰富。除具有自动消除抖动功能外，它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、
用单片机控制直流电机的速度 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 直流电机的调速方案一般有下列3种方式： ?1、改变电枢电压； ?2、改变激磁绕组电压； ?3、改变电枢回路电阻。 使用单片机来控制直流电机的变速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1，PWM2,产生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。根据公式 U=aVCC 其中：U为电枢电压；a为脉冲的占空比（0 电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制技术（PWM）进行直流电机的变速。 因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，都不能工作，所以上图中的实际脉冲宽度为B， 我们把PWM波的周期定为1ms，占空比分100级可调（每级级差为10%），这样定时器T0每0.01ms产生一次定时中断，每100次后进入下一个PWM波的周期。上图中，占空比是60%，即输出脉冲的为0.6ms，断开脉冲为0.4ms，这样电枢电压为5*60%=3V。 我们讨论的是可以正转反转的，如果只按一个方向转，我们就只要把PWM1置为高电平或低电平，只改变另一个PWM2电平的脉冲变化即可，，如下图（Q4导通，Q3闭合，电机只能顺时针调整转动速度） 计算机控制技术课程设计 报告 设计课题：直流电机转速闭环控制 （采用单片机教学实验系统） 班级： 报告人： 指导教师： 完成日期：2011年9月22日 重庆大学本科学生《计算机控制技术基础》课程设计任务书课程设计题目直流电机转速闭环控制（采用单片机教学实验系统） 学院自动化学院专业自动化专业年级 （1）已知参数和设计要求 1）用单片机产生PWM方波调制直流电机以一定速率旋转，人为给一个速度漂移，霍尔元件测出速度并根据PID算法跟踪校正速度漂移。 2）要求用LED或LCD时实显示电机速度。 3）要求在10秒内PID算法纠正速率漂移。 （2）实现方法 采用单片机教学实验系统实现（限≤4人选做） 学生应完成的工作： 1）硬件设计：要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电原理图；说明各功能模块的具体功能和参数；结合实验室现有的单片机教学实验系统进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。 2）软件设计：要求合理分配系统资源，完成直流电机转速闭环控制的程序设计（如：系统初始化；主程序；A/D转换；D/A转换；标度变换；显示与键盘管理；控制算法处理；输出等）。 3）对设计控制系统进行系统联调。 4）编写课程设计报告：按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容（包括设计总体思路、设计步骤、原理分析和相关知识的引用等）、总结、各组员心得体会、参考书及附录（包括系统框图、程序流程图、电原理图和程序原代码）】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。 目前资料收集情况（含指定参考资料）： 《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社 《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社 《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社 课程设计的工作计划： （1）2011年9月19日熟悉设计任务和要求。 （2）2011年9月20日确定设计方案。 （3）2011年9月21日硬件调试。 （4）2011年9月22日软件及系统调试。 （5）2011年9月23日设计答辩。 任务下达日期 2011年 9月 19 日完成日期 2011年 9 月 24日 指导教师（签名） 学生（签名） 说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。 EDA课程设计报告 直流电机的PWM调速 一、概述 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于CPLD/FPGA性能优越，具有较佳的性能价格比，所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好；同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。 二、PWM调速的原理 图（1） 图（1）是全桥型的电机驱动电路，利用的是三极管的电流放大来驱动电机。从图上我们可以看到当Q4和Q3导通时，电机正转；当Q1和Q2导通时，电机反转。 设电机速度从静止开始加速，如图（2）所示，首先Q3，Q4必须维持导通一段时间，此时电机所承受的电压约为供电电压U，称之为强加速。待速度接近目标速度时，加速可以减缓，此时Q3，Q4和Q1，Q2轮流导通，只是Q3，Q4在一个周期内所导通的时间t on比Q1，Q2导通的时间t off长一些，在此称为弱加速。任何时刻，电机所承受的平均电压U O，表示为U O = U×(t on-t off)( t on +t off)。如果速度已经达到目标，便可以调整t off 和t on的时间比例使之相等，此时平均电压为0，是定速控制。由此可知，平均电压若为正值时，是加速控制；负值时是减速控制；为零时即达到匀速。 图（2） 三、程序的设计 在整个程序设计中，我们可以把他分成几个部分 第 1 章前言 1.1 课题的研究意义 现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速，而且，当今控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。 本次设计是基于51 系列单片机对直流电动机单闭环调速系统进行设计，能实现对直流电动机转速控制的功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。 通过这次设计，可以使我对51 系列单片机的应用和直流电机闭环调节系统进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。 1.2 直流电机调速的发展 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。 当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展 快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调 速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系 目录 摘要.................................................. II 第1章绪论. (1) 第2章系统论述 (3) 2.1 总体方案 (3) 2.2 基本原理 (3) 2.3 原理框图 (3) 第3章系统的硬件设计 (5) 3.1 单片机最小系统的设计 (5) 3.2 电源电路设计 (6) 3.3 直流电机驱动电路设计 (7) 3.4 显示模块设计 (8) 3.5 按钮电路设计 (8) 3.6 元件参数选择 (9) 第4章系统的软件设计 (11) 4.1 总体方案 (11) 4.2 相关软件介绍 (12) 4.3 应用软件的编制、调试 (13) 第5章仿真结果与分析 (14) 5.1仿真电路图 (14) 5.2 仿真结果 (14) 第6章总结 (17) 参考文献 (18) 附录A：系统整体硬件电路图 (19) 附录B：程序代码 (20) 摘要 当今，计算机控制系统已经在各行各业中得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电器传动的主流在现代化生产中起着主导作用。由于生产过程的不同要求，需要电动机进行不同转速的运转。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电动机控制系统有着十分重要的显示意义。 本设计主要运用AT89C51单片机为核心硬件，对直流电动机进行速度控制。并且辅助以硬件部分的驱动、复位、LED显示等电路，软件部分对AT89C51进行模块化程序的输入，通过按钮控制，实现对直流电动机的正转、反转、加速、减速和停止等控制功能。同时，由LED与电动机转速显示控制效果。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统设计，简化系统构成、提高系统性能，满足了生产要求。 关键词：计算机控制 AT89C51单片机直流电动机 直流电机的转速电流双闭环控制 直流电机的转速电流双闭环控制 摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。两个PI调节器都采用集成运放实现。其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。 关键词：电流环；转速环；PI调节器 The Rotate Speed and Current Double Closed Loop Feedback Control for DC Motor Abstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC motor.The major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating stably.yields making the DC motor started rapidly with the largest load current.It is the same to starting rapidly with the largest accerelation.Simultaneous,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the task.The priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop. 直流电机速度控制 调节系统 调节系统是一类通常能提供稳定输出功率的系统。 例如，电机速度调节器要能在负载转矩变化时仍能保持电机速度为恒定值。即使负载转矩为零，电机也必须提供足够的转矩来克服轴承的粘滞摩檫影响。其它类型的调节器也提供输出功率，温度调节器必须保持炉内的温度恒定，也就是说，即使炉内的热量散失也必须保持炉温不变。一个电压调节器必须也保持负载电流值变化时输出电压恒定。对于任何一个提供一个输出，例如速度、温度、电压等的系统，在稳态下必定存在一个误差信号。 电气制动 在许多速度揑制系统中，例如轧钢机，矿坑卷扬机等这些负载要求频繁地停顿和反向运动的系统。随着减速要求，速度减小的比率取决于存储的能量和所使用的制动系统。一个小型速度控制系统（例如所知的伺服积分器）可以釆取机械制动，但这对大型速度控制器并不可行，因为散热很难并且很昂贵。 可行的各种电气制动方法有： 1.回馈制动。 2.涡流制动。 3.能耗制动。 4.反向（接）制动。 回馈制动虽然并不一定是最经济的方式，但却是做好的方式。负载中存储的能量通过工作电机（暂时以发电机模式运行）被转化成电能并被返回到电源系统中。这样电源就充当了一个收容不想要的能量的角色。假如电源系统具有足够的容量，在短时回馈过程中最终引起的端电压升高会很少。在直流电机速度控制沃特-勒奧那多法中，回馈制动是固有的，但可控硅传动装置必须被排布的可以反馈。如果轴转速快于旋转磁场的速度，感应电机传动装置可以反馈。有晶闸管换流器而来的廉价变频电源的出现在变速装置感应电机应用中引起了巨大的变化。 涡流制动可用于任何机器，只要在轴上安装一个铜条或铝盘并在磁场中旋转它即可。在大型系统中，散热问题很重要的，因为如果长时间制动，轴、轴承和电机的温度就会升高。 在能耗制动中，存储的能量消粍在回路电阻器上。用在小型直流电机上时，电枢供电被断开，接入一个电阻器（通常是一个继电器、接触器或晶闸管）。保持磁场电压，施加制动降到最低速。感应电机要求稍微复杂一点的排布，定子绕组被从交流电源上断开，接到直流电源上。产生的电能继而消粍在转子回路中。能耗制动应用在许多大型交流升降系统中，制动的职责是反向和延长。 计算机控制课程设计报告(直流电机转速闭 环控制) 计算机控制技术课程设计 设计课题：班级：报告人：指导教师：报告 直流电机转速闭环控制 倪晓 完成日期： 20XX 年 9 月 22 日 李景峰，董勇，范涛，刘翰林：直流电机转速闭环控制重庆大学本科学生《计算机控制技术基础》课程设计任务书 课程设计题目直流电机转速闭环控制学院自动化学院专业自动化专业年级 20XX 已知参数和设计要求 1）用单片机产生PWM方波调制直流电机以一定速率旋转，人为给一个速度漂移，霍尔元件测出速度并根据PID算法跟踪校正速度漂移。 2）要求用LED或LCD时实显示电机速度。 3）要求在10秒内PID算法纠正速率漂移。实现方法采用单片机教学实验系统实现学生应完成的工作： 1）硬件设计：要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电原理图；说明各功能模块的具体功能和参数；结合实验室现有的单片机 教学实验系统进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。 2）软件设计：要求合理分配系统资源，完成直流电机转速闭环控制的程序设计。 3）对设计控制系统进行系统联调。 4）编写课程设计报告：按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容、总结、各组员心得体会、参考书及附录】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。目前资料收集情况：《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社课程设计的工作计划： 20XX年9月19日熟悉设计任务和要求。20XX年9月20日确定设计方案。 20XX年9月21日硬件调试。 20XX年9月22日软件及系统调试。 20XX年9月23日设计答辩。任务下达日期 20XX年 9月 19 日指导教师完成日期 20XX年 9 月 24日学生说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、20XX。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。 实验课题：直流电机调速控制 实验内容： 本实验完成的是一个实现对直流电机转速调节的应用。 编写实验程序，用ADC0809完成模拟信号到数字信号的转换。输入模拟信号有A/D转换单元可调电位器提供的0~5V，将其转换后的数字信号读入累加器，做为控制电机的给定转速。用8255的B口作为直流电机的控制信号输出口，通过对电机转速反馈量的运算，调节控制信号，达到控制电机匀速转动的的作用。并将累加器中给定的转速和当前测量转速显示在屏幕上。再通过LED灯显示出转速的大小变化。 实验目的： （1）学习掌握模/数信号转换的基本原理。 （2）掌握的ADC0809、8255芯片的使用方法。 （3）学习PC系统中扩展简单I/O接口的方法。 （4）了解实现直流电机转速调节的基本方法。 实验要求： 利用微机接口实验系统的硬件资源，运用汇编语言设计实现直流电机的调速控制功能。 基本功能要求：1、利用A/D转换方式实现模拟量给定信号的采样；2、实现PWM方式直流电机速度调节；3、LED灯显示当前直流电机速度状态。 实验设备： （1）硬件要求： PC微机一台、TD-PIT实验系统一套 （2）软件要求：唐都编程软件，tdpit编程软件，“轻松编程”软件 实验原理： 各芯片的功能简介： （1）8255的基本输出接口电路： 并行接口是以数据的字节为单位与I/O设备或被控制对象之间传递信息，CPU 和接口之间的数据传递总是并行的，即可以同时进行传递8位，16位，32位等。8255可编程外围接口芯片是具有A、B、C三个并行接口，+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作：方式0—基本输入/出方式、方式1—选通输入/出方式、方式2—双向选通工作方式。 一.实验原理 直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。 功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅<晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。 PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1．PWM的工作原理 图1-1PWM的控制电路 上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用。 PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图1-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波<即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。 2.功放电路 直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。 3.反馈接口 在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。 4．直流电机控制系统如图1-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律<通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。 图1-2 SG3525内部结构 图1-3 直流电机控制系统 5.PID原理 过程控制的基本概念 过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。 1.模拟控制系统 图1-4 基本模拟反馈控制回路 被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。 2.微机过程控制系统 . University of South China 电气传动技术 实验报告1 实验名称直流电动机闭环调速实验 学院名称电气工程学院 指导教师 班级电力 学号 学生姓名 文档Word . 一预习报告 目的：1了解并掌握典型环节模拟电路构成方法。 2 熟悉各典型线性环节阶跃响应曲线。 3 了解参数变化对典型环节动态性能影响。内容： 1比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型 2电流环调速系统的仿真模型 3转速环调速系统的仿真模型 文档Word . 二实验报告 直流电动机：额定电压U=220N,额定电流I=55A,额定转速 dNN n=1000r/min,电动机电动势系数C=0.192V·min/r。假定晶闸管整流eN装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44,滞后的时间常数 T=0.00167s。电枢回路总电阻R=1.0Ω,电枢回路电磁时间常数 s T=0.00167s,电力拖动系统机电时间常数T=0.075s。转速反馈系数ml*U。对应额定转速时的给定电压·α=0.01Vmin/r=10V。双闭环调速系统中Ks=40,T=0.0017s，T=0.18s，T=0.03s，T=0.002s,T=0.01s,R=0onlmsoi Ω,C=0.132V·min/r，α=0.00666V·min/r,β=0.05V·min/r。e一比例积分控制的无静差直流调速系统中PI调节器的值为： K=0.56，1/τ=11.34 P 文档Word . 无静差调速系统输出（Scope图像1） 输出波形比例部分（Scope1图像2） 对比图1和图2可以发现，只应用比例控制的话，系统响应速度快，但是静差率大，而添加积分环节后，系统既保留了比例环节的快速响应性，又具有了积分环节的无静差调速特性，使调速系统稳定性相对更高，动态响应速度也快。 文档Word . 组员： 班级：研1308 授课教师：徐洪泽 电子信息工程学院 日期：2013-11-24 目录 1、整体设计 (1) 2、硬件搭建过程 (3) 一、单片机最小系统 (3) 二、RS232串口模块 (3) 一、电机驱动模块 (4) 四、测速模块 (5) 五、上位机显示与控制 (7) 3、闭环系统的PID控制实现 (8) 一、控制算法 (8) 二、PID参数的整合 (8) 4、问题探讨与实验总结 (9) 一、问题探讨 (9) 二、实验总结 (9) 5、附录：总体程序 (10) 一、程序流程说明 (10) 二、源代码 (10) 三、实物图 (20) 1、 整体设计 本系统旨在实现直流电机的速度闭环控制。微控制器接受上位机和测速机构的速度信号，以其偏差作为PID 控制算法的输入，同时用微控制器产生H 桥所需的PWM 控制信号，PWM 的占空比为微控制器PID 控制算法的输出。通过控制PWM 的占空比来控制电机电枢电压，从而达到控制电机转速的目的。 图1.直流电机速度控制系统框图 图中：r —期望转速； b —转速测量值； e —期望转速与实际转速偏差； n —转速输出值。 直流电机转速为： U IR n K U -= Φ -Φ-其中： 电枢端电压电枢电流电枢电路总电阻；电机结构参数；每极磁通量。 ；I-；R-K- 本系统采用对电枢电压进行控制的电枢控制法，而电枢电压的控制采用开关驱动方式，即使驱动电机的半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 在Altium Designer summer 09中画出直流电机速度控制系统的详细设计原理如下图所示。 微控制器采用STC89C52RC单片机，单片机和上位PC机通过RS232进行通信，通过单片机的外部中断对编码器输出脉冲进行计数、单片机的P0.0和P0.1口输出PWM波形信号。外部中断INT1对光电编码器脉冲计数，单片机在一定时间间隔内即可计算出电机的转速。 当电机的实际速度小于目标速度时，LED0指示电机加速；当大于目标速度时，LED1指示电机减速。 图2.直流电机速度控制系统详细设计图 第1章前言 1.1 课题的研究意义 现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速，而且，当今控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。 本次设计是基于51系列单片机对直流电动机单闭环调速系统进行设计，能实现对直流电动机转速控制的功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。 通过这次设计，可以使我对51系列单片机的应用和直流电机闭环调节系统进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。 1.2 直流电机调速的发展 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前 基于uC/COS的直流电机PID转速闭环调速控制系统Proteus仿真实现 在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确和迅速，对环境的适应要求越来越高。随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机乃有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。随着微电子和计算机的发展，数字控制系统应用越来越广泛，数字控制系统有控制精确，硬件实现简单，受环境影响小，功能复杂，系统修改简单，有很好的人机交换界面等特点。 在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Matlab就是一个典型的实时仿真软件。实时仿真是对时间点的动态仿真，即随着时间的推移它能动态仿真出当时系统的状态。Proteus是一个实时仿真软件，用来仿真各种嵌入式系统。它能对各种微控制器进行仿真，本系统即用Proteus对直流电机控制系统进行仿真。 在系统软件开发中开发中可用操作系统，也可不用操作系统。如用操作系统，程序可实现模块化，并能对系统资源进行统筹管理，最主要的是可实现多任务运行。如果需要多任务并行运行，并且需要一定的时间间隔，某些任务对时间的要求不高时，如不用操作系统则要占用定时器资源，并且对栈空间和硬件资源很难进行管理，所以在这种情况下需要操作系统。本系统用操作系统uC/COS. uC/COS是一个完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式实时多任务内核.uC/COS 已经有很多产品成功使用的案例且得到美国军方的认证，说明了该系统的可靠性。uC/COS 源代码公开，代码短，源代码大部分是使用ＡNSI C编写的，移植性和裁减性好，功能强大，能可靠应用于各种控制系统中。 系统构成直流电机转速闭环控制课程设计
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