控制科学与工程综合技术实验项目设计说明书
项目：电机转速控制系统
姓名：
学号：
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx系
xxxx年xx月xx日
1 概述（系统基本功能描述）
本项目主要介绍一种单片机实现直流电机闭环转速控制系统，该项目可以根据用户设定电机的转速，然后由单片机控制电机的转速在设定的范围内。该项目分为上位机的软件实现和下位机的软硬件实现，在上位机上可以设定电机的转速和PID控制中的参数，下位机实现控制电机转速为设定值。
2 总体设计
本系统以STC12C5A16S2单片机为核心，进行PWM斩波控制，以实现普通直流电机按设定速度运行。其中利用光电开关检测普通直流电机的转速，通过信号放大和滤波电路，输出到单片机闭环系统对信号进行处理，达到上位机对直流电机设置的速度，并实时显示电机转速。
2.1 系统功能及技术指标（分类细化系统功能和技术指标）
此单片机的直流闭环调速控制系统需要具有以下功能：
1.上位机与单片机进行串口通信；
2.通过上位机对直流电机的参数（速度）和控制参数（比例系数、积分系数、微分系数）设置；
3.下位机能够产生直流信号驱动直流电动机；
4.下位机实现对直流电机的速度控制；
5.检测电路对直流电机的转速检测；
6.实时在上位机显示直流电机的转速。
2.2 系统构成（尽量采取图示描述）
电机转速控制系统主要由上位机及下位机构成。上位机就是PC机，完成电机转速系统速度设定和控制参数的设定，实时显示电机的转速。下位机由电源、检测单元，控制单元以及驱动电机单元组成。如图2-1所示。
图2-1 电机转速控制系统结构框图
2.3 主要设备及元器件选型（说明选择依据）
电机转速控制系统主要的设备及元器件：综合训练1号电路板、STC12C5A60S2
系列单片机、L298N 电机驱动芯片、7805电压转换芯片、光电开关、发光二极管、电阻、电容、串行通信线、普通直流电机。
2.4 系统核心处理策略（控制算法、信号处理方法等）
电机转速控制系统采用自制光电传感器实时检测反馈脉冲信号，经单片机处理获得直流电机的实时速度，与给定速度比较得速度偏差e ；速度偏差e ，通过PID 算法计算获得所要求的PWM 占空比，形成PWM 控制电压驱动直流电动机运转，直至偏差e 为0，实现普通直流电机的速度调节。
在电机转速控制系统中，对直流电机的速度的控制采用了常用的PID 控制算法，即比例、积分、微分算法。一个系统要正常工作，起码的条件是要保证系统的稳定性，即系统不产生持续的振荡，甚至扩散的振荡。衡量一个系统的控制品质还有其他一些指标，分为稳态指标和动态指标两大类。稳态指标最重要的是稳态误差，在本例中就是稳态下的速度误差。动态指标主要包括：调节时间，超调量和振荡次数。PID 控制中的每一项对系统的性能会产生不同的影响。
PID 算法包括3项：比例项、积分项和微分项。比例控制是根据被控制量(在本控制系统中是电机的实时转速)的期望值与实测值之差(控制误差)驱动被控对象(电机)；积分控制是根据控制误差的积分去驱动被控对象；微分控制是根据控制误差的微分(在数字系统中就是差分)去驱动被控对象。
根据系统品质要求，为上述3个控制项选择合适的比例常数——P K 、I K 和
D K 并把它们综合起来，产生一个综合的控制作用，就构成了PID 控制算法。
在本系统中，我们将实际转速值与预置转速值比较，得出差值。单片机通过对该差值进行PID 运算，得出控制量，再由单片机输出控制参数，由PWM 输出电路改变电机两端的有效电压，最终达到控制转速的目的。
2.5 系统软硬件功能划分
直流电机控制环节由转速检测环节、单片机控制环节、电机驱动电路以及上位机软件组成。其中转速检测环节和电机的驱动电路环节属于该系统的硬件环节；而单片机控制环节和上位机软件属于该系统的软件环节。下面对系统的硬件和软件功能分别进行表述。
2.5.1 系统硬件功能
电机转速控制系统中，系统的硬件功能主要有：电机转速的检测环节和电机驱动电路环节。
电机转速的检测环节是目的是检测电机的实际转速，本系统是通过间接的方法获得电机的转速，它通过光电开关的打开与关闭这两种状态的交替次数计算出电机的实际转速。
电机转速控制系统的电机驱动电路环节采用L298N 驱动芯片产生电机驱动信号，直接驱动直流电机运行。由电机检测环节检测到的上一时刻的速度，与设定值作比较，得出速度偏差e ，单片机内部对偏差信号e 经PID 运算后，输出PWM 控制信号给驱动芯片L298N ，根据PWM 波形的占空比不同，施加在电机输入端的电压不同，从而达到对电机速度形成闭环控制。
2.5.2 系统软件功能
电机转速控制系统的软件分为上位机软件与下位机软件。
上位机软件主要完成向下位机设置电机的设定速度；设置PID 调节的比例系
数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd；显示电机的实时转速并绘图。其软件流程图如图2-2所示，图2-3是上位机串口中断服务程序流程图。
2-2 上位机软件流程图
图
图2-3 上位机串口中断程序流程图
下位机软件主要完成读入检测电路输入的脉冲个数，间接计算出电机的实际转速，然后根据PID算法计算出输出的PWM波形的占空比，然后由PCA0模块输出PWM波，这样子就可以改变普通直流电机两端的电压，以实现控制电机转速的目的。其流程图如图2-4所示，图2-5是下位机定时器中断流程图，图2-6是下位机串口服务程序流程图。
图2-4 下位机软件流程图
图2-5 下位机定时器中断程序流程图
图2-6 下位机串口中断程序流程图
2.6 其他（人机交互、结构设计等）
上位机的界面是采用VC 编写，主要完成的功能有：设置PID 调节的比例系数Kp 、积分系数Ki 、微分系数Kd ；显示电机的实时转速并绘图。其截面图如图2-7所示。
图2-7 VC 编写的上位机界面
3 详细设计
直流电机控制环节由电源电压转换电路环节、转速检测环节、单片机控制环节、电机驱动电路以及上位机软件组成。其中系统的硬件环节有转速检测环节和电机的驱动电路环节；而系统的软件环节有单片机控制环节和上位机软件。下面对系统的硬件设计和软件设计分别进行介绍。
3.1 硬件设计
硬件设计首先要确定系统的输入输出的，然后进行各个功能子系统的设计。
3.1.1 输入与输出（确定输入、输出性质、数量和指标要求）
在电机转速控制系统中首先确定系统的输入与输出。把该系统分为电源电压
转换电路、最小系统电路（单片机控制系统）、电机转速检测电路和电机驱动电
表3-1 电机转速控制系统的输入输出变量
3.1.2 功能划分（以框图形式表示）
硬件设计按功能划分为四个部分：电源电压转换电路、最小系统电路（单片机控制系统）、电机转速检测电路和电机驱动电路。如图3-1所示。
图3-1 下位机功能划分示意图
3.1.3 电源电压转换电路（元器件选型、硬件原理及功能描述）
电源电压转换电路主要是为电机转速检测电路提供+5V 的电源，电压转换电路主要由LM7805电压转换芯片组成。此电路产生的+5V 电源电压稳定，可靠性高。此电路还包括系统上电指示LED ，通过它可以很方便的判断系统是否上电。
图3-2 电源电压转换电路
3.1.4 最小系统电路（单片机控制系统）
最小系统电路（如图3-3所示）包括：STC12C5A08S2芯片、MAX232电平转换芯片、振荡电路、电源单元、输入输出部分、通信电路及复位电路。
芯片选择宏晶所产的STC12C5A08S2型号的单片机，其功能齐全，性价比高，最重要的是，是在采用的是增强型51内核，指令兼容51，而且有ISP下载功能，只需用串口通信电路就能下载程序，免去了编程器。
MAX232电平转换芯片是RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，将电脑用的RS-232串口电平和单片机的TTL电平相互转化的。
在最小系统电路（如图3-3所示）中，该最小系统集成直流电源模块（采用USB供电，直流5V电源），USB模块，串口通讯模块，STC12C5A16S2单片机，
22.1184MHz晶振时序模块等。
图3-3 单片机最小控制系统
3.1.5 电机转速检测电路
电机转速检测电路（如图3-4所示）选择价格便宜、功能单一的光电开关（GK105A）来实现对转速的检测。图3-4所示电路中，R10起限流电阻的作用，当有光直射回来时，光电开关中的三极管导通，R11的下端变为低电平；当没有光直射回来时，光电开关中的三极管不导通，R11的下端为高电平。
图3-4 电机转速检测电路
3.1.4电机驱动电路
直流电机驱动电路的组成如图3-5所示，电机驱动电路主要由L298N驱动芯片组成。
图3-5 电机驱动电路
L298N是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、直流电机和步进电机）。
L298N可以用来驱动两个电机，但是在本设计中我们只用来驱动一个普通的直流电机。INPUT1输入PWM波，INPUT2接低电平，使能端ENABLEA输入高低电平，来驱动电机。其控制逻辑表如下：
表3-2 L298N 逻辑关系
由表3-2可知EnA 为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA 为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
3.1.6 系统原理图及元器件清单
系统的原理图就是由以上的电源电压转换电路、最小系统电路（单片机控制系统）、电机转速检测电路和电机驱动电路这四部分组成，各个部分的原理图见图3-2到图3-5所示。
电机转速控制系统的元器件清单如下表3-3
所示：
姓名：李军学号：1108520639
实验题目：电机转速控制系统
表3-3 电机转速控制系统的元器件清单
3.2 软件设计
电机转速控制系统的软件设计分为下位机控制程序设计、上位机显示程序设计和传输的数据格式设计。
3.2.1 下位机控制程序设计（以框图形式表示，确定主程序框架）
单片机控制软件的功能主要有：单片机的初始化、计算电机的实时转速、发送实时速度给上位机、根据PID 参数计算输入信号的占空比、PCA0模块输出PWM 波形、定时器中断、PCA1模块的捕获电平上升沿中断、串口中断。其流
程图见图3-4所示。
图3-4 单片机控制流程
下位机软件主要完成读入检测电路输入的脉冲个数，间接计算出电机的实际转速，然后根据PID 算法计算出输出的PWM 波形的占空比，然后由PCA0模块输出PWM
波，这样子就可以改变普通直流电机两端的电压，以实现控制电机转速的目的。图3-5是下位机定时器中断流程图，图3-6是PCA1模块的捕获电平上升沿中断服务流程图。图3-7是下位机串口服务程序流程图。
图3-5 下位机定时器中断服务程序流程图
图3-6 PCA1模块的捕获电平上升沿中断服务程序流程图
图3-7 下位机串口服务程序流程图
3.2.2 上位机显示程序设计
上位机的软件流程有：初始化界面及其参数、设置电机的转速、设置PID参数、串口中断。其流程如图3-8所示。
图3-8 上位机软件流程图
上位机的界面是用VC6.0编写的。界面如图3-9所示。
图3-9 VC6.0编写的上位机界面
上位机软件主要完成向下位机设置电机的设定速度；设置PID调节的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd；显示电机的实时转速并绘图。图3-10是上
位机串口中断服务程序流程图。
图3-10 上位机串口中断服务程序流程图
3.2.3 数据传输格式设计
在电机转速控制系统中涉及到上位机向单片机发送设置的电机转速、设置
PID参数，下位机要向上位机发送电机的实时转速，这就要设计他们之间的数据传输格式。
下位机通过串口向上位机发送的数据只有电机的实时转速，所以设计其格式
为四个字节的数据包。其中第一个字节发送0xFF，数据发送的起始字节；第二
位是电机实时转速的高位字节；第三位是电机实时转速的低位字节；第四位发送
的数据是0x00
图3-11 下位机向上位机传输数据格式
上位机通过串口向下位机发送的数据有：电机的启动、电机的停止、PID的比例系数Kp、PID的积分系数Ki、PID的微分系数Kd、设置电机的转速，所设计的发送数据包为五个字节，其中第一个字节是数据的起始字节0xFF；第二个字节是所要设置数据的标号（电机启动——0x01，电机停止——0x02，比例系数Kp——0x03，积分系数Ki——0x04，微分系数Kd——0x05，电机的转速——0x06）；第三位是所要发送数据的高字节，第四位是数据的低字节；第五位是停止字节
图3-12 上位机向下位机发送数据格式
4 调试与测试
在设计了电机转速控制系统的硬件和软件之后，就可以编写软件程序和焊接电路板。有了硬件电路板，就能够进行软件调试。
4.1 调试（主要控制参数或策略确定方法、实验结果、出现问题与解决方法）
在电机转速控制系统中，PID的参数影响着控制精度，对于该系统，我选择的PID参数如下所示：
PID算法中的参数Kp是误差放大倍数，Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长；Kp太大时，系统会趋于不稳定；Kp太小，又会使系统的动作缓慢。经过反复试验，我的Kp
选为15-30。
Ki是调整控制精度的，Ki太小，系统超调量大，增大Ki可以消除稳态误差，提高系统的控制精度。经调试，Ki选为20左右。
Kd可以改善动态特性，Kd只有取得合适，才能使超调量较小，减短调节时间。本系统的Kd选为20左右。
在系统的调试过程中，遇到了许多的问题，例如：
（1）板子连接好后，单片机的输出电平不一致，解决方法是将单片机的地线和12V的外接电源的地线接到一起，达到公地的目的。
（2）串口发送数据与接收数据的不一致，在发现问题之后，设置断点，查看发送数据与接收数据，发现问题出现在自己设置的数据类上面，修改数据类型之后，串口发送数据正确。
（3）还有就是协议的问题，没有设置好，导致发送的数据无法接收，最后完善自己以前的协议内容，数据发送与接受正常，满足自己的传输要求。
4.2 测试（测试内容及结果）
在调试完程序之后，基本保证程序能够正常的完成所要求的基本功能之后，然后将程序下载到单片机里，用串口和PC机相连，联调程序。基本上能够使电机的转速在设定的范围内。
在设置电机转速在1300r/min时，控制效果如图4-1所示。当设置为2000r/min 时，控制效果如图4-2所示。当设置为3000r/min时，控制效果如图4-3所示。当设置为4000r/min时，控制效果如图4-4所示。当设置为45000r/min时，控制效果如图4-5所示。
图4-1 在设置电机转速在1300r/min时，控制效果图
图4-2 在设置电机转速在2000r/min时，控制效果图
图4-3 在设置电机转速在3000r/min时，控制效果图
图4-4 在设置电机转速在4000r/min时，控制效果图
图4-5 在设置电机转速在4500r/min时，控制效果图
5 结论（是否达到系统设计目标、存在问题及原因）
本设计题目为电机转速控制系统，速度要求：1300——4500r/min，控制普通直流电机旋转，光电传感器检测电机的转速，具有速度设置功能。
经过认真学习和努力，最终在老师和同学的帮助下，实现了对直流电机转速的控制：在上位机界面中，输入电机转速，发送给单片机，由单片机经驱动电路，驱动直流电机运转，用光电开关检测电机转速，反馈回单片机，经PID调节使电机实际运转速度逼近设定速度，并将反馈速度发送到上位机进行显示。
经过一段时间的调试，实现的电机转速控制，误差在30r/min的范围内，基本实现设计要求。这个误差是因为检测电路的测量精度引起的（检测电路能够测量的最小速度变化是30r/min）。如果增大风叶的齿数，可以减小实验的误差。
在本次的系统设计中，我了解到了如何进行硬件设计，掌握了Altium Designer 10的使用方法并利用其画原理图，掌握了单片机的编程软件Keil的使用方法，熟练地使用Keil给单片机编写程序并调试程序，虽然在调试的过程中遇到了比较多的问题，但是在自己不懈的努力和朋友的帮助下，最终将其一一解决。通过这次的系统设计，我将书本上学习到的控制方法运用到了实际的系统之中，体会到了PID调节在系统控制中的作用，并深刻的认识到PID的三个参数
对于系统的性能的影响。
基于单片机的PWM调速系统 摘要 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及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详细的阐述。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。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。 关键词：PWM信号测速发电机PI运算前言 本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。 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。 PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器 件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。 直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现 和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电 子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。 PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而 成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 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。文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用直流测速发电机测得电机速度，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PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。
中国计量学院 课程设计设计报告书 题目：PWM控制的直流电 动机调速系统设计 二级学院现代科技学院 专业电气工程及自动化 班级电气062 姓名***** 学号********** 同组同学姓名****** ******* 同组同学学*********** ********* 2009年12月23日
设计题目：PWM控制的直流电动机调速系统设计 1、前言 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，调速范围广; 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。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，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。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、设计要求及组内分工 2.1设计要求 （1）根据电机与拖动实验室提供的直流电动机，设计基于PWM的电动机 调速方案。 （2）选用合适的功率器件，设计电动机的驱动电路。 （3）设计PWM波形发生电路，使能通过按键对电机转速进行调节，要求至少有两个速度控制按键，其中一个为加速键（每按一次，使电机转速增 加）；另一个为减速键，功能与加速键相反。 （4）撰写课程设计报告。 2.2组内分工 （1）负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接：主要由胡佳春和叶秋 平完成
摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果表明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。 随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态 [1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的 PWM 信号，多采用软件 PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件 PWM 控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。 一、电机控制系统的整体设计 1.1 系统整体设计原理图 系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四部分。电路原理图如图2所示： 图 1
图2 1.2 PWM信号 PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获寄存器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比较，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为: 占空比=1-{ ECAPnH，[CCAPnH]}/256 在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η 的大小。通过改变η 的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。 1.3 测速模块 测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板 J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔传感器把测速脉冲信号送单片机 P3.2，由单片机 P1.0送到测速模块第 5 脚，控制电机正反转。PWM 信号由 P1.2 送到测速模块第 3 脚，实现电机的调速。 1.4 I/O接口电路 输入模块采用 4 个按键 S1、S2、S3、S4，接在单片机 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由 P1.0 送到测速模块第 1 脚。输出显示模块采用 LCD1602，是一种内置 8192 个 16*16
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
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） Pwm电机调速原理 对于电机的转速调整，我们是采用脉宽调制（PWM）办法，控制电机的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变在始能端PE2 和PD5 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速。 此电路中用微处理机来实现脉宽调制，通常的方法有两种： （1）用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻 辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。 （2）硬件实验自动产生PWM 信号，不占用CPU 处理的时间。 这就要用到ATMEGA8515L 的在PWM 模式下的计数器1，具体内容可参考相关书籍。 51单片机PWM程序 产生两个PWM，要求两个PWM波形占空都为80/256,两个波形之间要错开，不能同时为高电平！高电平之间相差48/256， PWM这个功能在PIC单片机上就有，但是如果你就要用51单片机的话，也是可以的，但是比较的麻烦.可以用定时器T0来控制频率，定时器T1来控制占空比：大致的的编程思路是这样的：T0定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1，而这个T1是让IO口输出低电平，这样改变定时器T0的初值就可以改变频率，改变定时器T1的初值就可以改变占空比。 *程序思路说明： * * * *关于频率和占空比的确定，对于12M晶振，假定PWM输出频率为1KHZ,这样定时中断次数* *设定为C=10，即0.01MS中断一次，则TH0=FF,TL0=F6;由于设定中断时间为0.01ms，这样* *可以设定占空比可从1-100变化。即0.01ms*100=1ms * ******************************************************************************/ #include PWM ft流脉宽调速系统设计 1 PWM调速系统的主要问题 1.1什么是PWM 脉冲宽度调制（PWM）,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉 宽调制，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。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅 极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变， 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，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。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点?由于当今科学技术的发展已经没有了 学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。 1.2 PWM的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关 控制方式，形成了脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系 统，或直流PWM S速系统。与V-M系统相比，PWM S统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开怪频率咼，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速围宽，可达 1 : 10000左右。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于有上述优点，直流PWM S速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量 的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压 #include 基于PWM勺电机调速系统 实验目的： 1. 学会并掌握可keil软件的使用； 2. 学会并掌握protues软件的使用； 3. 通过实验巩固单片机相关知识和检验自身动手能力 实验要求： 掌握单片机相关知识，利用调PWm空比的方式来控制直流电机的转速，并且在led 数码管上显示转速。 实验设备和仪器： 单片机最小系统 2. 直流电机 3. 示波器 实验内容： 本次实验设计是由小组五个成员共同完成基于PWM勺电机调速系统并完成实物搭建和撰写实验报告。本次实验小组共提供了两个方案，方案一和方案二，两个方案各自具有优缺点，详细内容会在下面给出。 方案一实验步骤： 1.利用protues画电路图，电路图如图1所示: 图1:方案一电路图 2.根据电路图编写C语言'代码： 代码如下： #include <> sbit PWM=P2A7; sbit CS3=P2A3; sbit CS2=P2A2; sbit CS1=P2A1； sbit CS0=P2A0； sbit key1=P1A。； sbit key2=P1A1； sbit key3=P1A2; sbit key4=P1A3; unsigned char timer1; unsigned char tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; void Time1Config(); void main(void) ( Time1Config(); while(1) ( if(timer1>100) 验仿真，部分仿真结果如图2图3所示： 图2:仿真结果图(1) 图3:仿真结果图(2) 4. 实物验证结果如图4所示： 图4:方案一实物验证结果 实物验证可以明显感觉到电机转速的变化，由于每个开发板不同，相比仿真程序，对实物验证程序进行了略微的修改，最终能达到要求。 基于51单片机的直流电机调速的方法 田云史洁黑龙江农业经济职业学院机电工程系157041 0 引言 许多单片机爱好者，在设计一些单片机控制系统的时候，都会采用小型直流电动机来制作各种各样的电子设备，因为直流电机调速范围广，易于平滑调速，启动、制动和过载转矩大，易于控制，可靠性较高。对于直流电机的控制，无非是控制其转向，以及速度。转向的控制方法比较简单，只要改变电机的通电极性就可改变其旋转方向。在这里，我们重点讨论如何对其速度上的控制，对其调速可以采用多种办法。对于直流电机转速的调节，最常用的办法是通过改变电枢端的电压来实现，传统的思路是通过调节电枢电路电阻R的阻值来改变端电压，以达到调速的目的。但由于接入的电阻消耗了部分电压，因此这种传统的调速方法效率很低。随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(Pulse Width Modulation)控制是常用的一种调速方法。PWM控制是指在保持周期丁不变的情况下，通过调节开关导通的时间对脉冲宽度进行调制，从而达到调节电机转速的目的。在脉宽调速系统中，电机电枢两端的电压是脉宽可调的脉冲电压，在输出脉冲频率足够快的情况下，由于惯性的存在，只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一个稳定值。对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。本文在给出直流电机调速和PWM实现方法的基础上，提供一种用51单片机软件实现PWM调速的方法。 1 PWM基本原理 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。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。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内“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”。如图1所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。 直流电机调速资料汇总 一． 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。 C语言代码： #include } void beep(void) { uchar t; for(t=0;t<100;t++) { delay500us(); FMQ=!FMQ; //产生脉冲 } FMQ=1; //关闭蜂鸣器 delaynms(300); } void main(void) { TR0=0; //关闭定时器0 TMOD=0x01; //定时器0，工作方式1 TH0=(65526-100)/256; TL0=(65526-100)%256; //100us即0.01ms中断一次EA=1; //开总中断 ET0=1; //开定时器0中断 TR0=1; //启动定时器T0 ZKB1=50; //占空比初值设定 ZKB2=50; //占空比初值设定 while(1) { if(!K5) { delaynms(15); //消抖 if(!K5) //确定按键按下 { beep(); ZKB1++; //增加ZKB1 ZKB2=100-ZKB1; //相应的ZKB2就减少 } } if(!K6) { delaynms(15); //消抖 if(!K6) //确定按键按下 { beep(); 说明PWM调速系统的工作原理 说明PWM调速系统的工作原理 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它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，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制（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。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载) 需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器 * 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 一、总体设计概述 本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩 阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。 二、直流电机调速原理 根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速，总满足下式： 式中U——电压； Ra——励磁绕组本身的内阻； ——每极磁通（wb ）; Ce——电势常数； Ct——转矩常数。 由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。 电枢控制法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来控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。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的电压的“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”。如 果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。平均转 速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。 三、系统硬件设计 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。 论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：PWM调速、直流电动机、双闭环调速 目录 前言 (1) 第1章直流PWM-M调速系统 (2) 第2章UPE环节的电路波形分析 (4) 第3章电流调节器的设计 (6) 3.1 电流环结构框图的化简 (6) 3.2 电流调节器参数计算 (7) 3.3 参数校验 (8) 3.3.1 检查对电源电压的抗扰性能： (8) 3.3.2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (9) 3.3.3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (9) 3.3.4 电流环小时间常数近似处理条件 (9) 3.4 计算调节器电阻和电容 (9) 第4章转速调节器的设计 (11) 4.1 电流环的等效闭环传递函数 (11) 4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 (11) 4.3 转速调节器的参数的计算 (14) 4.4 参数校验 (14) 4.4.1 电流环传递函数化简条件 (15) 4.4.2 转速环小时间常数近似处理条件 (15) 4.5 计算调节器电阻和电容 (15) 4.6 调速范围静差率的计算 (16) 第5章系统仿真 (17) 5.1 仿真软件Simulink介绍 (17) 5.2 Simulink仿真步骤 (17) 5.3 双闭环仿真模型 (17) 5.4 双闭环系统仿真波形图 (18) 结论 (19) 参考文献 (20) 第一章:前言 Pwm 电机调速原理对于电机的转速调整，我们是采用脉宽调制（PWM）办法，控制电机的时候，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样，改变在始能端EN1 和EN2 上输入方波的占空比就能改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速。此电路中用微处理机来实现脉宽调制，通常的方法有两种：（1）用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。 （2）硬件实验自动产生PWM 信号，不占用CPU 处理的时间。这就要用到STC89C52的在PWM模式下的计数器1，具体内容可参考 相关书籍。 51 单片机PWM 程序 产生两个PWM，要求两个PWM 波形占空都为80/256,两个波形之间要错开，不能同时为高电平！高电平之间相差48/256， PWM 这个功能在PIC 单片机上就有，但是如果你就要用51 单片机的 话，也是可以的，但是比较的麻烦.可以用定时器T0来控制频率，定时器T1 来控制占空比：大致的的编程思路是这样的：T0 定时器中断是让一个I0口输出高电平，在这个定时器T0的中断当中起动定时器T1，而这个T1 是让IO 口输出低电平，这样改变定时器T0 的初值就可以改变频率，改变定时器T1 的初值就可以改变占空比。 前言： 直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。 近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法就应运而生。 采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM 技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且 PWM 调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。 随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机 PWM 调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。 本设计任务: 任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM 调速控制系统 设计的主要内容以及技术参数: 功能主要包括： 1) 直流电机的正转； 2) 直流电机的反转； 3) 直流电机的加速； 4) 直流电机的减速； 5) 直流电机的转速在数码管上显示； 6) 直流电机的启动； 7) 直流电机的停止； 第二章：总体设计方案 直流电机PWM调速控制系统 摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]： (1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。 无刷直流电动机的运动方程为：（4） 式中：为负载转矩；f为粘滞阻尼系数；j为转子与负载的转动惯量。 指导教师评定成绩： 审定成绩： 重庆邮电大学 自动化学院 课程设计报告 设计题目：基于单片机的直流电机调速系统设计 单位（二级学院）： 学生姓名： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 设计时间：2011 年10 月 重庆邮电大学自动化学院制 08级自动化专业综合设计题目 第二组题目：单片机直流电机调速装置的设计与制作 要求： ①设计与制作单片机最小系统，具有键盘输入0 ~ 9数字和功能键；LED数码管或LCD1602显示。主要显示实际速度值和设定速度值以及参数修改的值。 ②设计速度检测电路与数据处理，速度测量采用数字测量的方式，采用光电式和电磁式测量方法。实现速度信号的检测、整形等实现。 ③输出驱动采用PWM脉宽调制。调节周期可以设定。默认值为0.5s。驱动芯片采用L298 ④直流电机由实验室提供。直流电机的输入电压24V。功率50瓦。控制算法采用常用PID算法。 ⑤进度要求：第一周方案设计设计，原理图设计等。元器件清单提交到指导老师处。第二周至第五周系统软件设计以及调试相关准备。第六周系统调试和撰写综合设计报告。进行答辩。 摘要 ............................................................................................................................................ I II 1 引言 0 2 总体方案设计 0 2.1 硬件方案论证 0 2.1.1 微处理器的选择 0 2.1.2 测速传感器的选择 (1) 2.1.3电机驱动方案论证 (1) 2.2系统原理框图设计 (1) 2.3. 系统单元电路的设计 (2) 2.3.1速度测量电路的设计 (2) 2.3.2 车速传感检测电路 (3) 2.3.3串行通信接口电路 (3) 2.3.4 电机驱动电路的设计 (4) 2.3.5 LCD显示电路与单片机的接口设计 (4) 2.3.6.矩阵键盘电路 (5) 2.3.7电源模块 (5) 3.系统软件设计 (6) 3.1 系统总程序框图设计 (6) 3.2 电机转速测量程序设计 (6) 3.3键盘程序设计 (7) 3.4 LCD显示子程序的设计 (8) 4 数字PID算法 (8) 4.1.PID基本原理 (8) 4.2 PID控制算法的单片机程序实现 (10) 5.总结 (10) 参考文献 (10) 附录1……………………………………………………………………………………………...错误!未定义书签。 附录2 (14) 目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19) 前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电PWM电机调速原理及51单片机PWM程序经典
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