电动机转速测量系统的设计毕业设计论文

基于C51单片机直流电机测速仪设计摘要：电机的转速是各类电机运行过程中的一个重要监测量，测速装置在电机调速系统中占有非常重要的地位，特别是数字式测速仪在工业电机测速方面有独到的优势。

本文介绍了一种基于C51单片机的光电传感器转速测量系统的设计。

系统采用对射式光电传感器产生与齿轮相对应的脉冲信号，使用AT89C51单片机采样脉冲信号并计算每分钟内脉冲信号的数目，即电机对应的转速值，最终系统通过LCD实时显示电机的转速值。

经过软硬件系统的搭建，分别通过Protues软件系统仿真实验和实际电路搭建检查实验。

仿真实验表明本系统满足设计要求，并且结构简单、实用。

整个直流电机测速系统在降低测速仪成本，提高测速稳定性及可靠性等方面有一定的应用价值。

关键词：转速测量；光电传感器；单片机Based On C51 SCM Single DC Motor Speedometer DesignABSTRACT：Motor speed is all kinds of motor operation is an important process to monitor the amount of speed measuring device in the motor control system occupies a very important position, Especially the digital speedometer in the industrial motor speed has unique advantage. This paper describes a photoelectric sensor 51 SCM-based speed measurement system design. System uses a beam photoelectric sensor generates a pulse signal corresponding to the gear, the use of a sampling pulse signal AT89C51 SCM and calculating the pulse per minute, the number of signals that the speed of the motor corresponding to the value of the final system time through the LCD display the motor speed value.After a hardware and software system structures, respectively, through Protues software system to build the actual circuit simulation and experimental examination. Simulation results show that the system meets the design requirements, and the structure is simple and practical. DC Motor Speed entire system in reducing speedometer costs, improve reliability, speed stability and a certain application value.Keywords: Speed measurement; Photoelectric; Single chip micyoco目录1 绪论 (1)1.1 数字式转速测量系统的发展背景 (1)1.2 转速测量在国民经济中的应用 (1)1.3主要研究内容 (2)1.4 设计的目的和意义 (2)2 转速测量系统的原理 (4)2.1 转速测量原理 (4)2.2 转速测量计算方法 (5)3转速测量系统设计方案 (7)3.1 直流电机转速测量方法 (7)3.2 设计任务及方案 (8)4 直流电机测速系统设计 (9)4.1 单片机AT89C51介绍 (9)4.2 转速信号采集 (14)4.2 转速信号处理电路设计 (16)4.4 最小系统的设计 (17)4.4.1复位电路 (17)4.4.2 晶振电路 (20)4.5 显示部分设计 (20)5 直流测速系统仿真 (24)5.1 直流测速系统仿真 (24)5.1.1单片机最小系统仿真 (25)5.1.2 数码管显示仿真 (25)5.2 主程序流程设计 (26)5.2.1 主程序流程设计 (26)5.2.2 定时器的初始化 (27)5.3 实际电路实验 (28)参考文献 (30)致谢 (31)1 绪论1.1 数字式转速测量系统的发展背景在现代工业自动化高度发展的时期，几乎所有的工业设备都离不开旋转设备，形形色色的电机在不同领域发挥着很重要的作用。

绕线式异步电动机的串级调速作者：摘要：本设计主要利用电力拖动控制设计出可靠安全且容易操作和维修。

主要介绍了机械和工艺对电器控制线路的要求，以及怎么设计出来的控制线路满足生产的要求，达到简单经济。

在设计电力拖动自动控制系统时，一般包括两部分内容，一是确定拖动方案和选择电动机，前者主要解决的是采用交流拖动方案还是直流拖动方案，后者主要解决的是选择电动机容量等问题。

根据电机学由异步电机转速公式n=60f1/Þ×(1-s p)可知异步电机的调速方法有改变定子频率、磁极对数和转差率等，而对于绕线式异步电机我们一般都采用的是改变转差率进行调速，而改变转差率实现异步电动机的调速方法有一：在绕线式异步电机的转子中串入不同的电阻实现电力拖动的速度调节，但这中方法存在着以下缺点：1）他是通过增大转子回路电阻来降低转速，当电机负载转矩恒定时，转速越低转差功率越大，这种方法是通过增大转差功率来降低转速的，但所增加的转差功率全部被转化为热量消耗掉了，这种调速方法效率岁调速的范围增大而降低。

2）调速时电机理想空载转速不变。

只能在额定转速以下调节，调速时机械特性变软，降低了静态调速精度，3）由于转子回来附加电阻的档数有限，无法实行无级调速，调速范围小。

二：串级调速，串级调速是通过绕线式异步电动机的转子回路引入附加电势而产生的。

它属于变转差率来实现串级调速的。

与转子串电阻的方式不同，串级调速可以将异步电动机的功率加以应用（回馈电网或是转化为机械能送回到电动机轴上），因此效率高。

它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬。

特别是晶闸管低同步串级调速系统，技术难度小，性能比较完善，因而获得了广泛的应用。

关键词：异步电动机串级调速原理基本类型Abstract：The design of the main drag to control the use of electricity to design safe and reliable operation and maintenance easy. Introduces the process of mechanical and electrical control circuit, as well as how the control circuit designed to meet the requirements of the production to a simple economic. Automatic control in the design of electric drive system, generally comprises two parts, first drag the program to identify and select the motor, which is used mainly to solve the exchange program or drag drag DC program, which is the main solution is to choose electric machine capacity and so on.According to the study by the electric induction motor speed formula n = 60f1 / Þ × (1-sp) induction motor can see the speed control methods have to change the frequency of the stator, on the pole and a few slip, and so on, but for the winding - We induction motors generally used is to change the slip for governor, and change the slip of the induction motor to achieve a speed control methods: the wound-rotor induction motor in the string into a different resistance to realize the power delay Adjust the speed of the move, but there is method in the following shortcomings: 1) he is through loopincreased resistance to reduce the rotor speed, when the motor torque constant load, the lower the speed difference to the greater power, this approach is adopted Increasing deterioration of the power to reduce speed, but the increase in power all the difference to be converted into energy consumed, the efficiency of this method of speed-year-old governor to reduce the scope of the increase. 2) The speed at the same speed no-load motor ideal. Can only be rated below regulation speed, variable speed control when the mechanical properties of soft and reduce the static speed accuracy, 3) due to additional back rotor resistance limited number of stalls, unable to carry out stepless speed regulation, the small scope of the governor. Second: Cascade Speed, speed cascade through the wound-rotor induction motor circuit and the introduction of additional potential generated. It is a change to achieve slip cascade of speed. Rotor resistance and the string in different ways, can cascade speed asynchronous motor to power the application (or the power grid back into mechanical energy to send back to the motor shaft), so efficient. It can not achieve the smooth-class speed and low speed when the mechanical properties of relatively hard. Thyristor especially low speed synchronous cascade system, the technical difficulty of small, relatively perfect performance, which was widely used.Key words:asynchronous motor series of basic principles governing the type of一、串级调速的基本原理所谓串级调速就是在转子回路中串入与转子电动势E2同频率的附加电动势E add如图1—1所示。

毕业设计学生姓名Xxx学号170302041 院(系) 电子与电气工程专业Xxx题目基于光电传感器的转速测量系统设计指导教师年月摘要：转速是发动机重要的工作参数之一,也是其它参数计算的重要依据。

目前常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。

在对各种测速方法进行分析后提出了基于光电传感器的转速测量系统。

详细分析了系统的组成及工作原理，给出了系统中各硬件模块设计方法及系统软件设计方法，给出了部分程序流程图和程序清单。

该测速系统安装维护方便，工作稳定，运行可靠，具有较大的推广应用价值。

关键词：单片机，光电转速传感器，转速测量，数据处理Abstract：The rotate speed is one of the important parameters for the engine, and it is also the important factor that calculates other parameters. At present there are many methods for the tachometric survey measurement. After analyze various rotate speed measurement methods, the photoelectric sensor tachometric survey system is presented. The composition and the principle of the system are presented, and the design method of hardware and the software are also presented. The whole system has the bigger promotion application value.Key words：single-chip computer，photoelectric sensor，rotate speed measurement，data processing目录1 引言 (4)2 系统组成及工作原理 (4)2.1转速测量原理 (4)2.2转速测量系统组成框图 (4)3 系统硬件电路的设计 (5)3.1 脉冲产生电路设计 (5)3.2 光电转换及信号调理电路设计 (6)3.2.1 光电传感器简介 (6)3.2.2 光电转换及信号调理电路设计 (7)3.3 测量系统主机部分设计 (8)3.3.1 单片机 (8)3.3.2 键盘显示模块设计 (10)3.3.3 串行通信模块设计 (12)3.3.4 电源模块设计 (13)4 系统软件设计 (14)4.1 主程序设计 (14)4.2 数据处理过程 (16)4.3 浮点数学运算程序 (17)5 制作调试 (17)6 结果分析 (19)结论 (20)参考文献 (21)致谢 (22)1引言转速测量是社会生产和日常生活中重要的测量和控制对象。

序号（学号〉： 161240303长春大学 毕业设计（论文）直流电机速度PID 控制系统设计李一丹国际教育学院自动化1612403曹福成2016 年 5 月 30 0姓 名 学 院 专 业 班 级 指导教师直流电机速度PID控制系统设计摘要：针对现有的直流电机控速难的问题，本文设计了一种基于ATmegal6L单片机的直流电机速度控制系统。

本系统以ATinegal6L单片机为主控制器，搭载了L298n为电机驱动，通过霍尔元件进行测速，通过按键控制电机的转动方向和转动速度，并配以温度传感器DS18B20对温度进行监测，通过PID算法调节PW\1 进行对速度控制。

该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块、电机的驱动模块、对电机速度进行监测的模块、由LCD1602构成的显示ky r模块、电源模块和按键控制模块等。

本系统可以通过PID算法实现可编程脉宽波形对直流电机的速度进行控制，并且可以显示出当前电机的转速。

关键词：单片机；PID算法；直流电机The design of DC motor speed control system with PID Abstract: According to the existing DC motor speed control problem, this paper describes the design of a DC motor speed control system based on ATmegal6L MCU. To ATMEGA16L microcontroller as the main controller for the system, equipped with a L298n for motor drive, through the hall element of speed, through the buttons to control the motor rotation direction and the rotation speed, and the temperature sensor DS18B20 the temperature monitoring, PID algorithm is used to adjust the PWM control of the speed. The system includes the following modules display microprocessor control module, as the main body of the motor drive module, monitoring module, the speed of motor is composed of LCD1602 module, power supply module and key control module.This system can realize through PID algorithm to control the speed of the programming pulse waveforms of DC motor, and can display the current motor speed.Keywords: single chip microcomputer, PID algorithm, DC motor ky r戈ml ml ——II —In —In | * 11—I 1111 ml 1111目录Bit (1)l.i选题背景及意义 (1)1.2国内外研宄现状 (2)1.3木文主要研究的内容 (3)第2章总体方案论述 (4)ky r2.1系统主要传感器介绍 (4)2.1.1温度传感器 (4)2.1.2转速检测模块 (5)2.2系统总体功能及方案选择 (6)2.2.1系统所需模块及功能 (6)2.2.2主控制器选择 (8)第3章系统总体硬件设计 (10)3.1单片机最小系统 (10)3.1.1ATmegal6L单片机的引脚分布 (10)3.1.2最小系统的硬件电路 (13)3.2电机驱动电路 (14)3.3温度检测电路 (15)3.4光电管提示电路和按键控制电路 (15)3.5LCD1602 显示电路 (16)3.6电源电路 (17)3.7本章小节 (18)第4章系统软件设计 (19)4.1系统总体流程图 (19)4.2 PID算法简介 (19)4.2.1PID算法介绍 (20)4.2.2HD算法结果 (21)4.3系统调试步骤 (21)4.4误差分析即改进方法 (22)给论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)隱 (26)附录I系统总体硬件电路图 (26)附录II系统中部分程序 (27)ky r In—ml ml ml ml | , I af—.第1章绪论1.1选题背景及意义电动机简称电机，俗称马达，在现实生活中，我们处处都可以见到电机的身影，小到小学生玩的电动四驱车，大到炼钢厂用的滚动罐，这些都是电机家族的成员。

分类号密级无锡职业技术学院毕业设计说明书题目：电动自行车控制器设计英文题目;Design of electric bicycle controller****:***专业：机电一体化指导教师：石炳存职称：副教授毕业设计说明书提交日期：2013年4月15日地址：机电学院毕业设计任务书毕业设计任务书无锡职业技术学院机电工程系2013年2月20日目录目录摘要 (2)英文摘要 (2)第一章引言 (3)1.1电动自行车的意义及发展状况 (3)1.1.1自行车的历史背影及意义 (3)1.1.2 电动自行车的优点 (4)1.1.3电动自行车的发展前景 (4)第二章控制器系统的分析 (5)2.1 智能控制器的系统框图 (5)2.2 系统主要硬件介绍 (6)2.2.1 无刷直流电动机 (6)2.2.2 AT89C51 (8)2.2.3 MC14585B和CD4040B (9)2.3 系统具体实现方法 (10)2.3.1 无刷直流电动机的调速 (11)2.3.2 测速电路 (13)2.3.3 速度预置与显示 (14)2.3.4 电机驱动电路 (15)2.3.5 无刷直流电动机及控制器的保护 (16)第三章系统软件设计 (18)第四章结束语 (20)参考文献 (21)附录 (22)摘要电动自行车用于轻便灵活，节能环保，价格适中而得到人们的广泛使用，成为人们短途出行的理想交通工具。

同时中国具有庞大的自行车市场，电动自行车产业在中国有着非常广阔的应用前景，因此发展电动自行车具有良好的社会意义和客观的经济效益基于单片机系统为核心的，以无刷直流电动机驱动的电动自行车智能控制器的设计方案。

该系统包括PWM控制方案、速度测量和显示方案、刹车控制方案和电路保护方案等。

本设计主要是以单片机为核心，特别采用软硬件相结合的方式，可以极大地提高系统的安全性和可靠性。

关键词：电动自行车；智能控制；脉冲宽度调制；单片机；电机保护Abstrac tElectric bicycle for portable and flexible, energy-saving environmental protection, moderate in price and are widely used in people, an ideal vehicle for the people in the travel. At the same time, China has a huge market of bicycle, electric bicycle industry has a very broad application prospects in China, and so the development of electric bicycle has a good social significance This paper introduces a design program of intelligent control of the electronic bicycle which is based on the single chip computer system. It is derived by no brush DC motor.This system introduces speed PWM control project, speed measure and display project, brake control project, electro circuit protection project. This design is based on the single chip computer,its specialties adopt combining hardware with software for improving credibility and security.Key Words：electric bicycle ；intelligent control ；PWM; single chip computer;electro circuit protection第一章引言随着人们物质生活水平的提高，电动自行车作为一种新兴的交通工具正在越来越多地走进人们的生活。

苏州经贸职业技术学院机电系应用电子技术（电子产品营销）专业毕业设计论文(霍尔传感器电机转速测量系统的设计)学生姓名：指导教师:2013年1月目录摘要 (I)绪论 (II)I 课题研究的目的和意义 (II)II 转速测量在国内外的研究 (II)III 主要研究内容 (II)第一章电机转速测量常用方法 (1)1.1 测频法（“M法”） (1)1.2 测周期法（“T法”） (1)1.3 本设计系统中采用的方法 (2)第二章系统总体方案设计 (3)2.1总体设计方案 (3)第三章硬件电路设计 (4)3.1 单片机最小系统设计 (4)3.1.1 时钟电路 (4)3.1.2 复位电路 (4)3.1.3 电源电路.......................................... 错误！未定义书签。

3.2 霍尔传感器测量电路设计 (5)3.2.1 霍尔传感器原理 (5)3.2.2 开关型霍尔传感器 (5)3.3 信号处理电路设计 (7)3.4 显示电路设计 (8)3.4.1 LCD1602简介 (8)3.4.2 LCD显示电路 (8)3.5 按键电路设计 (9)3.6 蜂鸣器报警电路设计 (10)第四章软件设计 (11)4.1 系统开发环境 (11)4.2 系统开发语言 (11)4.3 软件总体设计 (12)第五章系统调试 (13)5.1 Protues仿真 (13)5.2 系统调试结果 (14)结论 (15)致谢 (16)参考文献 (17)附录 (18)附录1 (18)附录2 ................................................... 错误！未定义书签。

摘要在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，测量转速的方法分为模拟式和数字式两种。

模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是模拟量。

数字式通常采用光电编码器，霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号。

摘要随着工业控制要求的发展，对电机速度的控制越来越高。

传统的模拟信号控制方式存在抗干扰能力差、对设备要求复杂、控制精度不高等问题，难以适应日益复杂的工业环境。

本文主要介绍了多段调速系统的结构，并完成了以PLC为控制器，以增量式光电编码器为速度采集的闭环PID控制系统，通过RS-485对变频器的控制实现了三相异步电机的多段调速。

关键字：PLC；RS-485；多段调速；光电编码器AbstractWith the requirements of the development of industrial control, the speed of motor control is more and more strict. The traditional analog signal control mode has poor capacity of resisting disturbance, the requirement of complex equipment, the control precision low and some other problems, it is difficult to adapt to the increasingly complex industrial environment. In this article, mainly introduces the structure of various speed system, and completed the closed loop PID control system through the PLC as controller and incremental photoelectric encoder for speed acquisition, achieve the multistage speed control three-phase asynchronous motor through Frequency converter based on RS-485.Key words: PLC; RS-485; multistage speed; encoder目录第一章概述 (4)1.1 课题研究的背景及意义 (4)1.2 课题研究现状 (5)1.3 本课题研究的主要内容 (6)第二章系统分析 (7)2.1 PLC基本知识 (7)2.1.1 PLC的基本功能 (8)2.1.2 PLC的特点 (9)2.1.3 PLC的展望 (11)2.2 变频器基本知识 (12)2.2.1 变频器的应用 (12)2.2.2 变频器的分类 (13)2.2.3 变频器控制的展望 (14)2．3 光电编码器 (15)2.3.1 增量式编码器 (15)2.3.2 绝对式编码器 (16)第三章系统设计 (19)3.1 总体方案 (19)3.2 硬件设计 (19)3.2.1 变频器的连接 (20)3.2.2 光电编码器的配置 (20)3.2.3 PLC输入输出口分配 (21)3.3 软件设计 (21)3.3.1 变频器的参数设置 (22)3.3.2 PLC的设计 (23)第四章结论 (28)结束语 (29)致谢 (30)参考文献 (31)第一章概述1.1 课题研究的背景及意义随着计算机技术、电子技术的不断进步，PLC(可编程逻辑控制器)技术、变频(变频器)调速技术的发展极为迅速，已渗透到各个领域，以它们为主导的现代生产技术正以史无前例的速度迅猛发展。

无刷直流电机控制系统的设计——毕业设计学号：1008421057本科毕业论文（设计）(2014届)直流无刷电机控制系统的设计院系电子信息工程学院专业电子信息工程姓名胡杰指导教师陆俊峰陈兵兵高工助教2014年4月摘要无刷直流电机的基础是有刷直流电机，无刷直流电机是在其基础上发展起来的。

现在无刷直流电机在各种传动应用中虽然还不是主导地位，但是无刷直流电机已经受到了很大的关注。

自上世纪以来，人们的生活水平在不断地提高，人们在办公、工业、生产、电器等领域设备中越来越趋于小型化、智能化、高效率化，而作为所有领域的执行设备电机也在不断地发展，人们对电机的要求也在不断地改变。

现阶段的电机的要求是高效率、高速度、高精度等，由此无刷直流电机的应用也在随着人们的要求的转变而不断地迅速的增长。

本系统的设计主要是通过一个控制系统来驱动无刷直流电机，主要以DSPIC30F2010芯片作为主控芯片，通过控制电路采集电机反馈的霍尔信号和比较电平然后通过编程的方式来控制直流无刷电机的速度和启动停止。

关键词：控制系统；DSPIC30F2010芯片；无刷直流电机AbstractBrushless dc motor is the basis of brushless dc motor, brushless dc motor is developed on the basis of its. Now in all kinds of brushless dc motor drive applications while it is not the dominant position, but the brushless dc motor has been a great deal of attention.Since the last century, constantly improve the people's standard of living, people in the office, industrial, manufacturing, electrical appliances and other fields increasingly tend to be miniaturization, intelligence, high efficiency, and as all equipment in the field of motor is in constant development, people on the requirements of the motor is in constant change. At this stage of the requirements of the motor is high efficiency, high speed, high precision and so on, so is the application of brushless dc motor as the change of people's requirements and continuously rapid growth.The design of this system mainly through a control system to drive the brushless dc motor, mainly dspic30f2010 chips as the main control chip, through collecting motor feedback control circuit of hall signal and compare and then programmatically to control the speed of brushless motor and started to stop.Keywords: Control system; dspic30f2010 chip; brushless DC motor目录摘要 (I)Abstract (III)目录 (IV)1 引言 01.1 研究背景及意义 01.2 国内外研究现状 (1)1.3 设计任务与要求 (1)2 基本理论 (1)2.1 无刷直流电机的结构以及基本原理 (1)2.2 无刷直流电机的运行特性 (4)2.3 无刷直流电机的应用 (5)3 直流无刷直流电机控制系统的设计 (6)3.1 无刷直流电动机系统的组成部分 (6)3.2 无刷直流电机控制系统的设计 (8)4 直流无刷电机的电路设计 (9)4.1 开关电路的设计 (9)4.2 保护电路的设计 (9)4.3 驱动电路的设计 (10)4.4 反馈电路的设计 (10)4.5 电源电路的设计 (11)5 直流无刷电机控制系统的软件设计 (11)5.1 系统功能的实现 (12)5.2 软件流程图 (12)6 实物成果及展望 (13)致谢 (16)参考文献 (16)附录 (19)1 引言近年来随着微电子技术自动控制技术和新型永磁材料的发展，无刷直流电机的应用越来越广泛。

摘要在电子时代的今天，电动机在工农业生产和人们的日常生活中起着非常重要的作用。

直流电机是最常见的一种电机，具有优良的机械性能，调速范围宽，起动性能好等优点，控制电路简单，所以在社会各个领域中得到广泛应用。

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，转速测量方法有模拟测量和数字测量两种。

模拟测速发电机的检测元件，信号是模拟量。

数字测量通常采用光电编码器，霍尔和其他成分的检测元件，该信号是一个脉冲信号。

随着计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，测量速度通常是采用以单片机为核心的数字测量方法。

本设计以单片机为核心设计了电机转速测量和数据显示系统，要求速度范围在0 -3000r /min的直流电机和交流变频调速电机的转速测量和显示，数据显示精度达到个位数，具有上，下限报警。

本设计使用5V直流电机，将霍尔传感器产生的脉冲信号输入到单片机外部中断0口，单片机的内部定时器模式0，对周期信号进行计数，调用计算公式计算速度。

调用显示程序在LED上，其主要内容是单片机部分主要完成转速的测量，LED部分显示，显示的范围在0-3000r /min。

系统主要功能是：STC89C52单片机接受霍尔传感器传来的脉冲信号，单片机根据外部中断，以及内部定时器进行计数计算出电机转速送到LED并显示。

外部装有蜂鸣器电路，在超速或低速都会停止电动机，蜂鸣器发音，显示器不显示。

关键词：直流电机单片机转速控制数据显示AbstractIn the electronic age today, electric motors in the industrial and agricultural production and people's daily life plays a very important role. DC motor is the most common one kind of electrical machinery, has excellent mechanical performance, wide range of speed, starting the advantages of good performance, simple control circuit, so in all social fields has been widely used.In engineering practice, often meet various needs of occasions measuring the rotation speed, speed measurement method of simulation measurement and digital measurement of two. Analog tacho generator detecting element, signal is analog quantity. Digital measurement usually uses photoelectric coder, Holzer and other components of the detection element, the signal is a pulse signal. With the wide application of the computer, especially the high ratio of performance to price the appearance of single chip microcomputer, measuring speed is usually used to MCU as the core of digital measuring method.The design of single-chip microcomputer as the core design of the motor speed measurement and data display system, the speed in the range of 0- 3000r / min DC motor and AC motor variable frequency speed regulating motor speed measurement and display, data display accuracy of a digit, has, the lower limit alarm. The design of 5V DC motor, will Holzer sensor generates a pulse signal input to the microcontroller external interrupt 0export, SCM internal timer mode 0, the periodic signals are counted, calling the computation speed. Call display program in LED, its main content is a single part mainly completes the speed measurement, the LED portion of the display, display range in 0-3000r / min.The main functions of the system are: STC89C52microcontroller to accept Holzer sensor from the pulse signal, the MCU according to the external interrupt, and the internal timer count calculate the motor speed to LED and display. With the external buzzer circuit, in speeding or low speed will stop motor, a buzzer sounds, the display does not show.Key words: DC motor speed control data display MCU1.绪论电子技术的高速发展，促使直流电机一步一步从模拟向数字过渡，尤其是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入到一个新的阶段。

基于D S P的直流电机控制系统设计摘要：直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦,可以独立控制,因此具备良好的调速性能,出力大、调速范围宽和易于控制,广泛应用于电力拖动系统中;而随着对电机控制要求的不断提高,普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求,DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持;本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP 控制器TMS320LF2407作为微控制器;该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体,可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件;电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成,其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分,负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动;关键词：直流电机； DSP； PID控制器； PWMThe Design of DC Motor Control System Based on DSP Abstract：The DC motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, contribute to a large power, widely speed range, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. With the motor control required for continuous improvement, common single MCU can't meet requirements of the motor control well, DSP technology just for the advanced control theory and complex control algorithm implementation provides a strong support.This design uses the American TI company specially for motor control design of digital 16 fixed-point DSP controller TMS320LF2407 as the controller. The chip set DSP signal the high processing capacity and used in motor control optimization the periphery of the circuit in a body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. Motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and PC componen ts, whichDSP controller is a key part of the motor control system , responsible for the motor feedback signal processing and output control sig n al to control the rotation of the motor.Keywords：DC motor, DSP, PID controller, PWM目录第1章绪论课题概述课题研究的背景电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象,按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统;根据电动机的不同,工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类;纵观电气传动的发展过程,交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内,虽然它们所处的地位和作用不同,但它们始终随着工业技术而发展的;特别是随着电力电子技术和微电子学的发展,在相互竞争中完善着自身,发生着变更;由于直流电机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,因此在工业场合应用广泛;近代,随着生产技术的发展,对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求,所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容;直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用;随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化;电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景;有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究;直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程;随着数字信号处理器DSP的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法;将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作;用计算机技术实现直流调速控制系统,计算机的选型很多;经过选择,选取DSP芯片作为控制器;直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统；有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统,有不可逆调速系统等9;开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果,对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上,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环境的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容;目前,对于控制对象的研究和讨论很多,有比较成熟的理论,但实现控制的方法和手段随着技术的发展,特别是计算机技术的发展,不断地进行技术升级;这个过程经历了从分立元件控制,集成电路控制和单片计算机控制等过程;每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进;随着新的控制芯片的出现,给技术升级提供了新的可能;电机控制是DSP应用的主要领域,随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高,DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用;课题研究的目的及意义长期以来,直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位;由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高质高效的平滑运转的特性,尽管近年来不断受到其它电动机的挑战,但到目前为止,就其性能来说仍无其它电动机可比;在控制系统的构成上,本课题对硬件电路进行了设计,而这个硬件系统具有一定的通用性,也即可以将它作为一个硬件平台,在其它过程控制中应用;另外,由DSP的特点量身订做,可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计,进而来构成硬件系统,这样既便于设计思想的物化,又使得设计系统更加紧凑,不浪费资源;本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法,在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述; 课题研究的现状近些年来,随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展,电机的应用技术也得到了进一步的发展,新产品、新技术层出不穷;除了人们己经熟悉的普通电机外,许多不同用途的特种电机也不断问世,如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等;另一方面,由于应用了电力电子技术,电机的控制技术变得更加灵活,效率也更高,如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子1;在实际中,电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用,上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制,使被驱动的机械运动符合预想的要求;例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机,几乎都采用功率器件进行控制,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动;这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”;运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制;因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展5;电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展;由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大,并且它的精度也差;所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差,控制效果不理想,因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展;数字控制器与模拟控制器相比较,具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点;随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求5;总是希望能在驱动系统中集成更多的功能,达到更高的性能;许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制,然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现;例如,在很多领域如工业、家电和汽车,用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机;这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现;但是这可能超出上述微处理器的计算能力;使用高性能的数字信号处理器DSP来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法;将一系列外围设备如模数转换器A/D、脉宽调制发生器PWM和数字信号处理器DSP集成在一起,就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片;近年来,各种集成化的一单片DSP的性能得到很大的改善,软件和开发工具越来越多,越来越好,价格却大幅度降低;低端产品的价格已接近单片机的价格水平,但却比单片机具有更高的性能价格比;越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能,DSP器件取代高档单片机的时机己成熟13;首先,与单片机相比,DSP器件具有较高的集成度;DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器,内置有波特率发生器和FIFO缓冲器,提供高速、同步串口和标准异步串口;有的片内集成了A/D和采样/保持电路,可提供PWM输出;更为不同的是,DSP器件为精简指令器件,大多数指令都能在一个周期内完成,并且通过并行处理技术,使一个指令周期内可完成多条指令;同时DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存取程序和数据;又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线,使DSP 器件具有高速的数据计算能力;而单片机为复杂指令系统计算机CISC,多数指令要2-3个指令周期来完成;单片机采用冯.诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问指令和数据、ALU只能做加法,乘法需要由软件来实现,因此占用较多的指令周期,也就是说速度比较慢;所以,结构上的差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8-10倍,完成一次乘法运算快16-30倍;DSP器件还提供了高度专业化的指令集,提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算;此外,DSP器件提供了JTAG Joint Test Action Group接口,具有更先进的开发手段,批量生产测试更方便;其次,基于DSP芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求;通过复杂的算法达到同样的控制性能,降低成本,可靠性高,有利于专利技术的保密;现在各大DSP生产厂家都推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路;如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司,凭借自己的实力,推出了电机控制器专用DSP--TMS320C24x;新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定点DSP核,并集成了一个电机事件管理器,后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制;该器件利用TI的可重用DSP核心技术,显示出TI的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件,制造出面向各种应用的DSP方案;TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列,可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能;集成的DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多功能块加在一起,就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案;系列中的TMS320LF2407包括一个30MIPSDSP核、两个事件管理器、32位的中央算术逻辑单元、多达16通道的IO位A/D转换器、64K的I/0空间和一个32K字的闪速存储器,它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持,可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用;第三,DSP运算速度快,控制策略中可以使用先进的实时算法,如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等,大大提高控制系统的品质;而且DSP 控制软件可用C语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用;因此采用DSP 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用;最后,在越来越多的场合,如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等,他们往往是规模比较大,时序、组合逻辑都很复杂的情况,这时如果同时运用DSP芯片和一些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力,实现复杂的实时控制;课题研究的内容本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统,通过控制算法和调速方法的分析,利用电机调速、DSP芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识,实现对电机的速度控制;整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压,改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩,实现电动机的转速调节;研究内容包括如下：1电机控制系统功能实现的分析；2控制算法与调速方法的分析与设计；3电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；4系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；5电机控制系统整机测试与实现；第2章系统总体设计系统的组成由图2-1可知,该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分;DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理,输出相应的PWM波,经过光电隔离部分,送给功率驱动单元；功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端,驱动电机与负载；速度检测单元：采集电机的速度信息,并送给主控制器；显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换;图2-1 系统总体框图2. 2 DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器,其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器,精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器,哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP;一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：1指令执行速度；2片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；3乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；4中断功能和中断通道的数目；5用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；6用于输入模拟信号的A/D转换器；7价格及开发环境;DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构,程序空间和数据空间分离,程序的数据总线和地址总线分离,数据的数据总线和地址总线分离;这种结构允许同时访问程序指令和数据,在同一机器周期里完成读和写,并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作,极大地提高了执行速度,并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源;TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器,其产品销量一直处于国际领先地位,是公认的世界DSP霸主;本论文选择了TI公司的TMS320LF2407DSP作为直流电机控制系统的微处理器;TMS320LF2407 DSP 控制器介绍TMS320LF2407 DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的;是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片;不但有高性能的C2XX CPU 内核,配置有高速数字信号处理的结构,且有控制电机的外设;它将数字信号处理的高速运算功能,与面向电机的强大控制功能结合在一起,成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品12;TMS320LF2407的片内外设模块包括：事件管理模块EV、数字输入/输出模块I/O、模数转换模块ADC、串行外设模块SPI、串行通信模块SCI、局域网控制器模块CAN;1事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供两个事件管理器EVA和EVB模块,每个模块包含两个通用GP定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕获单元和一个正交编码脉冲电路;事件管理器位用户提供了众多的功能和特点,在运动控制和电机控制中特别有用;通用定时器：LF2407共有4个通用定时器,每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟;各个GP定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作;与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生;每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标,它还向事件管理器的子模块提供时毕;每个通用定时器有4种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、逢续增/减计数模式;当计数器值和比较寄存器值相等时,比较匹配发生,从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM 脉冲,可设置控制寄存器GPTCON中的相应位,选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内A/D转换器;比较单元：LF2407有6个比较单元,每个EV模块有3个;每个比较单元又有两个相关的PWM输出,比较单元的时基由通用定时器1 EVA模块和通用定时器3 EVB模块提供;每个比较单元和通用定时器1或通用定时器3,死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出;在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机;由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机;捕获单元：捕获单元被用于高速I/O的自动管理器,它监视输入引脚上信号的变化,记录输入事件发生时的计数器值,即记录下所发生事件的时刻;该部件的工作由内部定时器同步,不用CPU干预;LF2407共有6个捕获单元,CAP1,CAP2,CAP3可选择通用定时器1或2作为它们的时基,但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基;CAP4,CAP5,CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基,同样CAP4和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基;每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈;当捕获发生时,相应的中断标志被置位,并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位,捕获单元还将启动片内A/D转换器;正交编码脉冲QEP单元：常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺,它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号,其输出一般有相位差为90°的A、B两路信号和同步脉冲信号C;A、B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚的输入;正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供,但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式,并以正交编码脉冲电路作为时钟源;2数字输入/输出模块I/ODSP器件的数子输入/输出引脚均为功能复用引脚;即这些引脚既可作为通用I/O功能双向数据输入/输出引脚,也可作特殊功能PWM输出、捕获输入、串行输入输出等引脚;数子I/O模块负责对这些引脚进行控制和设置;两种功能的选择由I/O复用控制寄存器MCRx,x=A,B,C来控制;当引脚作为通用I/O时,由数据和方向控制寄存器PxDATDIR,x=A,B,C,D,E,F指出各I/O引脚的数据方向输入还是输出和当前引脚对应的电平高或低;读通用I/O引脚的电平或向引脚输出电平,实际上是对相应的寄存器PxDATDIR进行读写操作;3模数转换器ADC模块在自动控制系统中,被控制或被检测的对象,如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量,通过适当的传感器如温度传感器、压力传感器、光电传感器等将他们转换为连续变化的电压或电流即模拟量;模数转换器ADC就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块;TMS320LF2407期间内部有一个10为的模数转换器ADC;该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换,通道的转换顺序可以编程选择;4串行通信接口SCI模块2407器件的串行通信接口SCI模块是一个标准的通信异步接收/发送UART可编程串行通信接口;SCI支持CPU与其他异步串口采用标准不返回零NRZ模块进行异步串行数字通信;SCI有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚：SCIRXDSCI接收数据引脚和SCITXDSCI发送数据引脚；SCI通过一个16位的波特率选择寄存器,可编程选择64K种不同速率的波特率;SCI支持半双工和全双工操作,发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成;5串行外设接口SPI模块串行外设接口SPI模块是一个高速同步串行输入/输出I/O口,它能使可编程长度1—16位的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件;SPI可作为一种串行总线标准,以同步方式实现两个设备之间的信息交换,即两个设备在同一时钟下工作;SPI通常用于DSP控制器与外部设备或其他控制器之间的通信,用SPI可以构成多机通信系统,SPI还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器ADC等器件的外设扩展口;6CAN控制器模块LF24xx系列DSP控制器作为第一个具有片上CAN控制模块的DSP芯片,给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能;CAN总线是一种多主总线,通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1 Mbps,通信距离可达10km;CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制;由于CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离;2407的CAN控制器模块是一个16位的外设模块,支持CAN2. 0B协议;CAN模块有6个邮箱MBOX0—MBOX5；有用于0,1,2和3号的邮箱的本地屏蔽寄存器和15个控制/状态寄存器;CAN模块既有可编程的位速率、中断方式和CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下；总线出错诊断和自测模式; 硬件方案论证测速传感器的选择方案一：使用测速发电机,输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数;改变旋转方向时,输出电动势的极性即相应改变;方案二：采用霍尔传感器,霍尔元件是磁敏元件,在被测的旋转体上装一磁体,旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,送运算;方案三：在电机的转轴上套一码盘,利用光电对管测脉冲,每转一圈OUT端输出若干个脉冲;本设计中码盘每转一圈,输出4个脉冲经比较,方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便,并且准确率也没方案二的高,并且方案二不需A/D转换,直接可以被DSP接收;但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便,故采用方案三,它具有方案二的几乎所有的优点;方案三中可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速：M=60/4T=15/T;0也可以采用。

摘要由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。

对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。

稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化自适应能力差。

模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直流调速装置的缺点，本文将模糊控制与PID调节器结合，着手fuzzy-PID复合控制方案理论研究和硬件的实现，设计出相关控制方案的直流调速系统，该方案以AT89C51单片机为主控单元，合适的驱动电路和一些外围电路构成硬件系统；以参数模糊自整定PID为控制策略。

本文对于系统的硬件及软件设计进行了详细的设计，包括电机控制模块、检测模块、电机驱动模块的设计等，以及软件的控制思想和编程方法。

本系统的设计顺应了目前国外直流调速朝着数字化，发展的趋势，充分利用了单片机的优点，使得通用性得到了提高。

经过理论分析和设计此控制器的各项性能指标优于模糊控制器和常规PID 控制器，具有很强的鲁棒性。

关键词：模糊控制；直流调速；稳态性能；单片机AbstractAfter Frequency Conversion Technology appeared，AC speed regulation method had always impacted DC Speed Regulation，but Generally speaking，especially the status in our country，in addition to digital DC Speed Regulation emerged，it improving the precision and the reliability in DC Speed Regulation System．DC Speed Regulation was also in the important status．Speed stability、speed ratio、acceleration、deceleration are the four factors in DC Speed Regulation System，the last two factors already reached well in industry application．But the Stability index does not match the desired purpose．Stability index is that the DC motor running in the precision range on desired speed，even if the system has uncertain disturbance．It is hard to realize because of adaptiveability digital DC Speed Regulation device is not enough when in the condition of the load parameters change unpredictably．Fuzzy control does not need precision mathematic model to conquer the shortcoming in routine digital DC Speed Regulation．We can combine with the PID adjuster and fuzzy control，focusing on theory research and realization of fuzzy-PID compound control scheme，design relevant DC Speed Regulation System was designed in the dissertation．This scheme is based on the core of AT89C51 single chip，appropriate driver circuit and some peripheral circuits，Fuzzy Self-tuning PID is the control strategy,This dissertation also introduce the plan of hardware and software，including DC motor control module、driver module、examine circuit and so on in detail，if explained the method of control and the thought of software，this system got used to the trend of digital power in the international，used the single micro—computer fully，and improveed the general use of the power．Theoretical analysis and design showed that all performance indexes of Parameter Self-Adjusting Fuzzy Logic PID Controller was in advance of those of the simple fuzzy controller and the conventional PID controller．Especially，the adaptive fuzzy controller is robust．Keywords：fuzzy logic control(FLC)；DC Speed Regulation；stability performance；Single micro-computer目 录摘 要 .................................................................................................................................................I Abstract ......................................................................................................................................... II 目 录 ............................................................................................................................................ I II第一章 绪论 (1)1.1 序言 (1)1.2 PID 控制中存在的问题 (1)1.3 模糊控制的发展状况 (2)模糊控制的发展过程 (2)模糊控制技术要解决的问题 (3)1.4 直流调速系统的发展概况 (4)1.5 本课题的研究内容及目的 (5)第二章 直流调速系统的理论分析 (6)2.1 控制理论在调速系统中的应用分析 (6)调速系统性能指标 (6)直流调速常用的方法 (7)2.2 传统直流调速系统中调节器参数的计算 (9)设计指标及要求 (9)固有、预置参数计算 (9)电流调节器参数计算 (10)转速调节器参数 (10)2.3 数字PID 调节器的原理及应用 (12)2.4 数字PID 控制器的算法实现 (14)第三章 模糊PID 控制算法设计 (16)3.1 模糊控制的原理 (16)模糊控制的理论基础 (16)模糊控制系统的组成 (16)模糊控制在实际中的适用性 (17)3.1.4 模糊控制器的设计方法 (17)3.2直流调速系统模糊PID 控制结构设计 .......................................................................... 18 被控过程对参数P K 、I K 、D K 的自整定要求 (19)3.3模糊自整定PID 参数控器设计 (20)确定控制器的输入、输出语言变量 (20)3.3.2确定各语言变量论域，在其论域上定义模糊量 .............................................. 21 确定P K 、I K 、D K 的调节规则 .. (21)模糊推理和模糊运算 (22)第四章 调速系统硬件设计 (24)4.1硬件总体方案设计 (24)4.2 主电路设计 (24)4.3 整流电力二极管参数的确定 (25)4.4 IGBT 的选择 (26)4.5 IGBT 驱动电路的设计 (26)IGBT 驱动电路的一般要求 (26)IGBT 的专用驱动集成电路 (26)4.6 泵升电压的抑制 (28)4.7 电流反馈信号检测装置设计 (29)概述 (29)4.7.2 电流检测装置的设计 (30)4.8转速检测环节及其与单片机接口电路的设计 (30)4.9 模拟量给定电流、转速反馈量与单片机的接口设计 (32)4.10 键盘与显示接口电路 (32)第五章系统软件设计 (34)5.1主程序 (34)5.2 A/D转换设计 (35)5.3键盘与显示子程序设计 (36)5.4模糊PID控制流程设计 (37)结论 (38)参考文献 (39)致谢 (42)第一章绪论1.1 序言在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的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。

毕业设计论文基于matlab的步进电机转速控制仿真(论文)摘要一般电动机都是连续旋转而步进电动却是一步一步转动的故叫步进电动机每输入一个冲信号该电动机就转过一定的角度有的步进电动机可以直接输出线位移称为直线电动机因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移或直线位移的执行元件数字控制系统的发展步进电动机的应用逐渐扩大仿真环境下建立了步进电机模型不仅仿真结果与实物仿真一致而且其仿真方法简单仿真时间大大缩短是一种理想的步进电机仿真研究方法关键词仿真ABSTRACTGeneral Motors is a continuous rotation while the step is electric rotating step by step so called stepper motors Each input of a red signal the motor will turn a certain angle some stepper motors can be directly output line displacement known as the linear motor Therefore the stepper motor is a pulse into the point of displacement or linear displacement of the implementation of the components With the development of digital control systems stepper motor application gradually expanding Although the stepper motor has been widely used but the stepper motor does not like a normal DC motor AC motor used in the routine It must be double-ring pulsesignal drive circuit composed of control before useUsed in the product forming the beginning of Shang Ruoli simulation software circuit simulation is an important study of its Indispensable want of means to control program simulation environment for debugging not only without actually hardware better Bufen meet the engineering requirements Matlab language is a science and engineering calculations for high-level language which combines scientific computing automatic control signal processing neural networks image processing and other functions into one is an advanced mathematical analysis and computation software can be used as dynamic Modeling and Simulation MATLAB-Simulink simulation environment based on the establishment of a stepping motor under the model simulation results not only consistent with the physical simulation and the simulation method is simple the simulation time is shortened it is an ideal stepping motor simulation methodsKEY WORDS Stepper motor matlab simulation前言步进电机问世以后很快确定了自己的应用场合为开环高分辨率的定位系统工业应用发展到今已有约30年的历史目前还没有更适合的取代它的产品而且已经发展成为除直流和交流电机外的第三大类电动机产品但毕竟发展历史不长人们从应用的角度看仍有不成熟的感觉步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件在非超载的情况下电机的转速停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响即给电机加一个脉冲信号电机则转过一个步距角这一线性关系的存在加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点使得在速度位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单摘要 1ABSTRACT 2前言 3第1章引言 511步进电机概述 512系统仿真技术概述713仿真软件的发展状况与应用 7第2章 MATLAB概要821 MATLAB概述822 概述10第3章步进电机基本原理 1131 典型结构和工作原理1132 旋转通电方式1233 小步距角步进电机1434 其他型式的步进电动机16com步进电动机1635 步进电机的控制方式21com机的开环控制21com 步进电机的闭环控制22第4章混合式步进数学模型及其建模2341 混合式步进数学模型2342 混合式步进电机的建模 27第5章步进电动机的驱动电源3051混合式步进电机的绕组通电方式305．2 两相双四拍环形分配器32第6章步进电机控制方式仿真结果3561 PID控制器 35comID控制器35参考文献38致谢40第1章引言步进电机最早是在1920年代由英国人所开发1950年代后期晶体管的发明也逐渐应用在步进电机上对于数字化的控制变得更为容易往后经过不断改良使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度高分解能高响应性信赖性等灵活控制性高的机械系统中在生产过程中要求自动化省人力效率高的机器中我们很容易发现步进电机的踪迹尤其以重视速度位置控制需要精确操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多11步进电机概述步进电机依其构造上的差异可分为三大类可变磁阻式VR型转子以软铁加工成齿状当定子线圈不加激磁电压时保持转矩为零故其转子惯性小响应性佳但其容许负荷惯性并不大其步进角通常为15°永久磁铁式PM型转子由永久磁铁构成其磁化方向为辐向磁化无激磁时有保持转矩依转子材质区分其步进角有45°90°及75°1125°15°18°等几种混和式HB型转子由轴向磁化的磁铁制成磁极做成复极的形式其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点精确度高转矩大步进角度小目前市场上所使用的工业用步进电机以混和式HB型最为普遍步进电机的特征步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制以5相步进电机为例其定位基本单位分辨率为072°全步级036°半步级是非常小的停止定位精度误差皆在±3分±005°以内且无累计误差故可达到高精度的定位控制步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度置及速度控制步进电机在输入脉冲信号时可以依输入的脉冲数做固定角的回转进而得到灵活的角度控制位置控制并可得到与该脉冲信号周波数频率成比例的回转速度具定位保持力步进电机在停止状态下无脉波信号输入时仍具有激磁保持力故即使不依靠机械式的刹车也能做到停止位置的保持动作灵敏步进电机因为加速性能优越所以可做到瞬时起动停止正反转之快速频繁的定位动作开回路控制不必依赖传感器定位步进电机的控制系统构成简单不需要速度感应器ENCODER转速发电机及位置传感器SENSOR就能以输入的脉波做速度及位置的控制也因其属开回路控制故最适合于短距离高频度高精度之定位控制的场合下使用中低速时具备高转矩步进电机在中低速时具有较大的转矩故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出高信赖性使用步进电机装置与使用离合器减速机及极限开关等其它装置相较步进电机的故障及误动作少所以在检查及保养时也较简单容易小型高功率步进电机体积小扭力大尽管于狭窄的空间内仍可顺利做安装并提供高转矩输出12系统仿真技术概述系统是由客观世界中实体与实体间的相互作用和相互依赖关系构成的具有某种特定功能的有机整体系统的分类方法是多种多样的习惯上依照其应用范围可以将系统分为工程系统和非工程系统工程系统的含义是指由相互关联部件组成的一个整体以实现特定的目的例如电机驱动自动控制系统是由执行部件功率转换部件检测部件所组成用它来完成电机的转速位置和其他参数控制的某个特定目标非工程系统的定义范围很广大至宇宙小至原子只要存在着相互关联相互制约的关系形成一个整体实现某种目的的均可以认为是系统如果想定量地研究系统地行为可以将其本身的特性及内部的相互关系抽象出来构造出系统的模型系统的模型分为物理模型和数学模型由于计算机技术的迅速发展和广泛应用数学模型的应用越来越普遍系统的数学模型是描述系统动态特性的数学表达式用来表示系统运动过程中的各个量的关系是分析设计系统的依据从它所描述系统的运动性质和数学工具来分又可以分为连续系统离散时间系统离散事件系统混杂系统等还可细分为线性非线性定常时变集中参数分布参数确定性随机等子类系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法计算机仿真的基本内容包括系统模型算法计算机程序设计与仿真结果显示分析与验证等环节13仿真软件的发展状况与应用早期的计算机仿真技术大致经历了几个阶段20世纪40年代模拟计算机仿真50年代初数字仿真60年代早期仿真语言的出现等80年代出现的面向对象仿真技术为系统仿真方法注入了活力我国早在50年代就开始研究仿真技术了当时主要用于国防领域以模拟计算机的仿真为主70年代初开始应用数字计算机进行仿真[4]随着数字计算机的普及近20年以来国际国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具如CSMPACSL SIMNOM MATLAB MatrixSystem Build CSMP-C等第2章 MATLAB概要21 MATLAB概述MATLAB是国际上仿真领域最权威最实用的计算机工具它是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件被誉为巨人肩上的工具MATLAB是一种应用于计算技术的高性能语言它将计算可视化和编程结合在一个易于使用的环境中此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号其典型的使用包括数学计算运算法则的推导模型仿真和还原数据分析采集及可视化科技和工程制图开发软件包括图形用户界面的建立MATLAB是一个交互式系统它的基本数据元素是矩阵且不需要指定大小通过它可以解决很多技术计算问题尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等MATLAB的名字象征着矩阵库它最初被开发出来是为了方便访问由LINPACK 和EISPAK开发的矩阵软件其代表着艺术级的矩阵计算软件MATLAB在拥有很多用户的同时经历了许多年的发展时期在大学环境中它作为介绍性的教育工具以及在进阶课程中应用于数学工程和科学在工业上它是用于高生产力研究开发分析的工具之一MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱toolboxes作为用户不可缺少的工具箱它可以使你学习和使用专门技术工具箱包含着M-file集它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题在工具箱的范围内可以解决单个过程控制系统神经网络模糊逻辑小波仿真及其他很多问题经过几十年的完善和扩充它已发展成线形代数课程的标准工具在美国MATLAB是大学生和研究生必修的课程之一美国许多大学的实验室都安装有MATLAB供学习和研究之用它集数值分析矩阵运算信号处理和图形显示于一体构成了一个方便的界面友好的用户环境其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件其包含有大量的模块集可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台同时SIMULINK还提供时域和频域分析工具能够直接绘制系统的Bode图和Nyquist图MATLAB系统可分为五个部分MATLAB语言这是一种高级矩阵语言其有着控制流程状态功能数据结构输入输出及面向对象编程的特性它既有小型编程的功能快速建立小型可弃程序又有大型编程的功能开发一个完整的大型复杂应用程序MATLAB的工作环境这是一套工具和设备方便用户和编程者使用MATLAB它包含有在你的工作空间进行管理变量及输入和采集数据的设备同时也有开发管理调试 profiling M-files MATLABs applications Bessel功能和快速傅立叶变换MATLAB应用程序编程界面这是一个允许你在MATLAB界面下编写C和Fortran程序的库它方便从MATLAB中调用例程即动态链接使MATLAB成为一个计算器用于读写MAT-files22 概述是用于仿真建模及分析动态系统的一组程序包它支持线形和非线性系统能在连续时间离散时间或两者的复合情况下建模系统也能采用复合速率也就是用不同的部分用不同的速率来采样和更新提供一个图形化用户界面用于建模用鼠标拖拉块状图表即可完成建模在此界面下能像用铅笔在纸上一样画模型相对于以前的仿真需要用语言和程序来表明不同的方程式而言有了极大的进步拥有全面的库如接收器信号源线形及非线形组块和连接器同时也能自己定义和建立自己的块模块有等级之分因此可以由顶层往下的步骤也可以选择从底层往上建模可以在高层上统观系统然后双击模块来观看下一层的模型细节这种途径可以深入了解模型的组织和模块之间的相互作用在定义了一个模型后就可以进行仿真了用综合方法的选择或用的菜单或MATLAB命令窗口的命令键入菜单的独特性便于交互式工作当然命令行对于运行仿真的分支是很有用的使用scopes或其他显示模块就可在模拟运行时看到模拟结果进一步可以改变其中的参数同时可以立即看到结果的改变仿真结果可以放到MATLAB工作空间来做后处理和可视化模型分析工具包括线性化工具和微调工具它们可以从MATLAB命令行直接访问同时还有很多MATLAB的toolboxes中的工具因为MATLAB和是一体的所以可以仿真分析修改模型在两者中的任一环境中进行小结综上所述利用MATLAB来仿真步进电机的运行情况可以帮助研究者更好更方便的了解步进电机的特性以便进一步改善其效率第3章步进电机基本原理31 典型结构和工作原理一般电动机都是连续旋转而步进电动却是一步一步转动的故叫步进电动机每输入一个冲信号该电动机就转过一定的角度有的步进电动机可以直接输出线位移称为直线电动机因此步进电动机是一种把脉冲变为角度位移或直线位移的执行元件步进电动机的转子为多极分布定子上嵌有多相星形连接的控制绕组由专门电源输入电脉冲信号每输入一个脉冲信号步进电动机的转子就前进一步由于输入的是脉冲信号输出的角位移是断续的所以又称为脉冲电动机随着数字控制系统的发展步进电动机的应用将逐渐扩大步进电动机的种类很多按励磁可分为反应式永磁式和感应子式按相数分则可分为单相两相和多相三种其中反应式步进电机用得比较普遍结构也比较简单所以以反应式步进电机为例介绍步进电机的工作原理反应式步进电动机的工作原理与反应式同步电机一样也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的为了便于理解先以一个简单的三相步进电动机为例图 3-1是反应式步进电动机结构示意图它的定子具有均匀分布的六个磁极磁极上绕有绕组两个相对的磁极组成一组联法如图所示图 3-1 三相反应式步进电动机的结构电机转子均匀分布着很多小齿定子齿有三个励磁绕阻其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开 013て23て相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示即A 与齿1相对齐B与齿2向右错开13てC与齿3向右错开23てA与齿5相对齐A 就是A齿5就是齿132 旋转通电方式图 3-2 三相单三拍运行转子位置步进电动机的工作原理其实就是电磁铁的工作原理定子由若干相控制绕组构成每相依次通入直流电磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点如A相通电BC相不通电时由于磁场作用齿1和齿3与A A对齐如图3-2a所示如B相通电AC相不通电时齿2应与B对齐此时转子向右移过13て此时齿3与C偏移为13て齿4与A偏移て-13て 23て如图3-2b所示如C相通电AB相不通电齿3应与C对齐此时转子又向右移过13て此时齿4与A偏移为13て对齐如图3-2c所示如A相通电BC相不通电齿4与A对齐转子又向右移过13て这样经过ABCA 分别通电状态齿4即齿1前一齿移到A相电机转子向右转过一个齿距如果不断地按A-B-C-A通电电机就每步每脉冲13て向右旋转如按A-C-B-A通电电机就反转这种按A-B-C-A方式运行的称为三相单三拍运行所谓三相是指步进电动机具有三相定子绕组单是指每次只有一相绕组通电三拍指三次换接为一个循环第四次换接重复第一次情况除了这种运行方式外三相步进电动机还可以以三相六拍和三相双三拍运行三相六拍运行的供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-这时每一循环换接6次总共有6种通电状态这6种通电状态中有时只有一相绕组通电如A相有时有两相绕组同时通电如A相和B相图3-3表示这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形开始时先单独接通A相这时与单三拍的情况相同转子齿1和3的轴线与定子极轴对齐如图3-3a所示当A和B两相同时通电时转子稳定位置将会停留在AB两定子磁极对称的中心位置上依此类推如果下面继续按照BC-C-CA-A的顺序使绕组换接那末步进电动机就不断按顺时针方向旋转当顺序顺序改为A-AC-C-CB-B-BA-A时步进电动机就反响即按逆时针方向旋转图 3-3 三相六拍运行aA相通电bAB相通电cB相通电dBC相通电可见单双六拍运行时步距角为15°比三拍通电方式时减小一半因此同一台步进电动机采用不同的通电方式可以有不同的拍数对应运行时的步距角也不同此外六拍运行方式每一拍也总有一相控制绕组持续通电也具有电磁阻尼作用电机工作也比较平稳33 小步距角步进电机以上这种结构形式的反应式步进电动机它的步距角较大常常满足不了系统精度的要求所以大多数采用如图3-4所示的定子磁极上带有小齿转子齿数很多的反应式结构其步距角可以做得很小下面进一步说明它的工作原理图3-4所示的是最常见的一种小步距角的三相反应式步进电动机定子每个图3-4 三相反应式步进电动机的结构极面上有5个齿转子上均匀分布40个齿定转子的齿宽和齿距都相同当A相控制绕组通电时转子受到反应转矩的作用使转子齿的轴线和定子AA′极下齿的轴线对齐因转子上共有40个齿其齿距角为定子每个极距所占的齿数为不是整数如图3-5所示因此当定子A相极下定转子齿对齐时定子B相极和C相极下的齿和转子齿依次有 13 齿距的错位即3°同样当A相断电B相控制绕组通电时反应转矩的作用下子按逆时针方向转过3°转子齿的轴线和定子B相极下齿的轴线对齐这时定子C相极和A相极下的齿和转子齿又依次错开 13 齿距依次类推若继续按单三拍的顺序通电转子就按逆时针方向一步一步地转动步距角为3°当然改变通电顺序即按A-C-B-A 电机按顺时针方向反转图3-5转子展开图 A相绕组通电若采用三相单双六拍的通电方式运行时和前面分析的道理完全一样步距角也减小一半为15°通过以上分析可知转子的齿数不能任意选取因为在同一相的几个磁极下定转子齿应同时对齐或同时错开才能使几个磁极的作用相加产生足够的反应转矩所以转子齿数应是定子磁极的偶数倍另外在不同相的磁极下定转子相对位置应依次错开 1m 齿距这样才能在连续改变通电状态下获得连续不断的运动否则当某一相控制绕组通电时转子齿都将处于磁路的磁阻最小的位置上各相绕组轮流通电时转子将一直处于静止状态电动机不能正常运行为此要求两相邻相磁极轴线之间转子的齿数应为整数加或减 1m 即3-1式中K 为正整数Zr 为转子的齿数2p 为一相绕组通电时在圆周上形成的磁极数图 3-5定转子展开图A相绕组通电如果以 N 表示步进电动机运行的拍数则转子经过 N 步将转过一个齿距每转一圈即360°机械角需要走NZr 步步距角为3-2N Cm式中C 为通电状态系数当采用单拍或双拍方式时C 1而采用单双拍方式时C 2由此可见增加拍数和转子的齿数可以减小步距角有利于提高控制精度增加电机的相数可以增加拍数也可以减小步距角但相数越多电源及电机的结构越复杂造价也越高反应式步进电动机一般做到六相个别的也有八相或更多相增加转子的齿数是减小步进电动机步距角的一个有效途径目前所使用的步进电动机转子的齿数一般很多对相同相数的步进电动机既可采用单拍方式也可采用单双拍方式所以同一台电机可有两个步距角如 3°15° 15°075° 12°06°等当通电脉冲的频率为时由于转子每经过 NZr 个脉冲旋转一周故步进电动机每分钟的转速为3-3式中的单位为 HZ可见反应式步进电动机的转速与拍数 N转子齿数 Zr 及脉冲的频率有关当转子齿数一定转速与输入脉冲的频率成正比改变脉冲的频率可以改变电机的转速34 其他型式的步进电动机com步进电动机图3-6是永磁式步进电动机的结构原理图定子为凸极式装有两相或多相绕组转子为凸极式星形磁钢其极对数与定子每相绕组的极对数相同图中定子为两相集中绕组AO BO 每相为两对极所以转子也是两对极即 p 2当定子绕组按 A-B –A - –B -A 的次序轮流通电时转子将按顺时针方向每次转过45°即步距角为45°永磁式步进电动机的步距角3-4用电弧度表示则有3-5式中p 为转子极对数图 3-6 永磁式步进电机由上可知永磁式步进电机要求电源供给正负脉冲否则不能运行这就使电源的线路复杂化了这个问题可通过在同一相的极上绕两套绕向相反的绕组电源只供给正脉冲的方法来解决这样做虽然增加了用铜量和电机尺寸但却简化了对电源的要求此外还有两相双四拍通电方式即AB-B –A - –A –B - –B A-AB永磁式步进电动机的特点是①大步距角例如②启动和运行频率较低通常为几十到几百赫兹但转速不一定低但它所需的③控制功率较小效率高④在断电情况下具有定位转矩⑤有强的内阻力矩主要用于新型自动化仪表com步进电动机混合式步进电动机也称为感应子式步进电动机这是一种十分流行的步进电动机它的定子铁心与反应式步进电动机相同也是两相集中绕组每项为两极对按A-B –A - –B -A次序轮流通以正负脉冲转子的结构与永久磁钢的电磁减速式同步电动机相同它既有反应式步进电动机小步距角的特点又有永磁式步进电动机的高效率绕组电感比较小的特点常常也作为低速同步电动机运行一两相混合式步进电动机的结构图3-7为两相混合式步进电动机的轴向剖视图定子的结构与反应式步进电动机基本相同沿着圆周有若干个凸出的磁极极面上有小齿极身上有控制绕组控制绕组的接线如图3-8所示转子由环形磁钢和两段铁芯组成环形磁钢在转子中部轴向充磁两段铁芯分别装在磁钢的两端转子铁芯上也有小齿两段铁芯上的小齿相互错开半个齿距定转子的齿距和齿宽相同齿数的配合与单段反应式步进电动机相同图3-7混合式步进电动机轴向剖视图图3-8混合式步进电动机轴向剖视图二两相混合式步进电动机的工作原理混合式步进电动机作用在气隙上的磁动势有两个一个是由永久磁钢产生的磁动势另一个是由控制绕组产生的磁动势这两个磁动势有时是相加的有时是相减的视控制绕组中电流方向而定这种步进电动机的特点是混入了永久磁钢的磁动势故称为混合式步进电动机1零电流时工作状态各相控制绕组中没有电流通过这时气隙中的磁动势仅由永久磁钢的磁动势决定如果电机的结构完全对称各个定子磁极下的气隙磁动势将完全相等电动机无电磁转矩因为永磁磁路是轴向的从转子B端到定子的B端轴向到定子的A端转子的A端经磁钢闭合在这个磁路上总的磁导与转子位置无关这一方面由于转子不论处于什么位置每一端的不同极下磁导有的大有的小但总和不变另一方面由于两段转子的齿错开了半个齿距所以即使在一个极的范围内看当B端磁导增大时A端必然减小也使总磁导在转子位置不同时保持不变。

《传感器原理与应用》课程设计1、题目：电机转速测量系统设计（光电转速传感器）院校：专业：姓名：学号：班级：指导老师：二0一六年六月目录第一章《传感器原理与应用》课程设计任务书 (4)1.1总要求 (4)1.2总任务 (4)1.3设计题目 (4)1.4设计内容 (4)1.5设计进度或计划 (4)1.6设计说明书包括的主要内容 (4)第二章系统介绍 (6)第三章系统设计方案 (6)3.1方案的设计与选择 (6)3.1.1 转速测量的方法 (6)3.1.2 整体控制方式 (8)3.1.3 传感器模块 (8)3.2 方案描述 (10)第四章系统理论分析与计算 (11)4.1 信号采集电路的分析 (11)4.2 电机转速的计算 (12)第五章硬件电路设计 (12)5.1 单片机模块 (12)5.1.1 STC89C52单片机简介 (13)5.1.2 时钟电路 (15)5.1.3 复位电路 (16)5.2 显示电路 (16)6.1 系统总体设计 (18)6.2 中断子程序设计 (19)6.3 定时子程序设计 (20)6.4 显示子程序设计 (21)第七章测试方案 (22)7.1 电路调试 (22)7.2 软件调试 (22)第八章心得体会 (25)参考文献 (25)附录 (28)附录一电路仿真图 (28)附录二程序清单 (28)附录三实物图 (37)第一章《传感器原理与应用》课程设计任务书1.1总要求课设题目尽量侧重于传感器检测模块设计，主要是绘制系统原理图、制作传感部分前端电路、实验调试及分析、撰写实验报告等。

电路图：传感检测/接口电路/控制电路、单片机检测系统电路（若题目要求，则应加上）。

程序：主程序、部分子程序（若题目要求，则应加上）。

说明书：按规范撰写。

1.2总任务针对总要求进行原理及方案论证、模块设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、精度分析以及撰写报告等工作。

1.3设计题目电机转速测量系统设计1.4设计内容实现全部要求的实物功能，性能稳定，外形美观。

无刷直流电动机控制系统设计方案摘要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。

现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。

自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分,电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点,无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。

本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电机,以PIC16F72单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。

关键词无刷直流电动机单片机霍尔位置传感器AbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern。

Since the 1990s，as people's living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances， industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency，small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor—driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison—level electrical signal Hall feedback， software programming through brushless DC motor control . Key words bldcm the single chip processor hall position sensor 摘要 (I)Abstract (II)第1章概述 (1)1。

毕业设计(论文)题目：电机转速测量系统设计院（系）光电工程学院专业测控技术与仪器班级100106班姓名叶亚锋学号100106117导师李党娟2014 年 5 月20 日电机转速测量系统设计西安工业大学光电工程学院叶亚锋摘要：电机是电力系统的主要设备，而电机转速是衡量动力系统正常工作的重要的性能指标，因而需要测量电机转速，使它满足人们的各种需求。

在本设计中多次采用施密特触发器，成为电路的主控芯片，控制着信号的定时和锁純。

用三片CD40110BE级联实现电路的计数、译码、数码管的驱动等功能，通过对光电耦合器产生的脉冲数进行统计，并把所得到的计数脉冲转化为电机的转速值，利用施密特触发器完成数器的清零和锁純，计数器计数译码后将信号输送到数码管，动态的显示脉冲数目，最后根据脉冲数目计算电机的转速。

本设计采用的电子元器件简单普遍，线路连接简单，安装调试容易，测量结果精确，具有较高的实用价值。

关键词：光电耦合器；施密特触发器；计数器；数码显示。

Design of motor speed measurement system Abstract: The motor is the main equipment of power system, and the motor speed is an important performance ind ex to measure the power system normal operation, therefore need to speed measuring motor, make it meet the needs of peopl e. The Schmidt trigger multipl e times in the d esign of main circuit, a control signal timing and l ock the key part of pure. Circuit realization of counting, d ecoding, digital tube driver functions with three slice CD40110BE cascad e, statistics through the pulse number on the photoelectric coupl er, and count the pulses to the motor speed value, compl ete number is cl ear and pure use l ock Schmidt flip-fl op, counter after d ecoding the signal transmitted to the the digital tube dynamic display, pulse number, pulse number according to the cal culated motor speed. El ectronic components used in this d esign simpl e and common, simpl e circuit, easy installation, accurate measurement result, and has higher practical value.Keywords:photoelectric coupler；Schmidt trigger；timer；counter；digital display.目录第一章绪论 (4)1.1课题研究的目的和意义 (4)1.2 转速测量在国内外的研究 (4)1.3电机转速的测量方法 (5)1.3.1测频法“M法” (5)1.3.2测周期法“T法” (6)1.3.3 测频测周法“M/T法” (7)第二章转速测量系统的总体方案 (9)2.1 设计任务 (9)2.2设计思路 (9)2.3原理框图 (9)2.4设计的意义 (9)第三章系统硬件电路的设计 (10)3.1 主控芯片的选择 (10)3.2 硬件电路的实现 (10)3.2.1电源电路 (10)3.2.2电机转速脉冲产生电路 (11)3.2.3计数电路 (14)3.2.4控制电路 (16)3.2.5显示电路设计 (19)第四章电路的焊接与调试 (21)4.1电路连接过程的注意事项 (21)4.2电路的调试 (22)4.3转速测量系统的误差分析 (24)第五章总结与展望 (25)5.1 总结 (25)5.2 展望 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录：电机转速测量系统原理图 (28)第一章绪论1.1课题研究的目的和意义电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，又是再将大部分电能转换为机械能的装置，电机在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备，在电力工业中，将机械能转换为电能的发电机以及将电网电压升高或降低的变压器，都是电力系统中的关键设备。

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，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。

长期以来，直流电机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。

它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂化设备中。

随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。

为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。

本设计通过PWM方式控制直流电机调速，采用了C语言来控制单片机产生PWM 信号，将信号输入L298N芯片驱动电机，通过改变输入电压的占空比，从而实现直流电机速度的控制。

论文针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。

硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以AT89S51单片机为核心的硬件构成，对调速电路、检测电路、显示电路等作了详细阐述；软件部分采用模块化设计思想，论述了软件的设计思想和方法；实现了对直流电机的快速启动和停止，电机转速的设置、调控和显示功能。

利用AT89S51芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。

关键词：单片机；PWM；直流电机；转速控制1 / 44Nowadays, automatic control system has been widely used and greatly developed in all walks of life. As the dominant part of electric drive, direct current (DC) control plays an important role in modern production. For a long time, DC motors hold a dominant position in transmission field with the characteristics of more flexible and simple speed adjustment, smoothly timing in a large scale, and good control performance. DC motors are widely used in factory equipment of numerical control machine, industrial robot, etc. With the constant expansion of modern production, the demand for DC motors is increased and a higher request is put forward. Thus, it is of great practical significance to research and make a high performance and reliability DC motor control system.The design controls DC motors speed regulation through the method of PWM, uses C language to control the microcontroller and then generates PWM signals. It is to input the signals into L298N drive chip, by using the control method of changing the duty ratio of the input voltage, and then make the DC motor speed control come true.The paper makes a detailed discussion on software and hardware of controlling system on the basis of the designed control system. After a dissertation on the whole design of, hardware structure with AT89S51 microcontroller as the core is introduced, and then speed control circuit, detection circuit and display circuit are expounded. In the part of software, module idea is adopted, the design idea and method is discussed and setting, start, stop, controlling and display functions of the DC electrical motor rotation parameters are achieved. The design of using AT89S51 chip to do low cost DC electrical motor control system can simplify system structure, reduce system cost, enhance system performance and meet more application needs.Key words：microcontroller; PWM; DC electrical motor; speed control1 / 44目录引言 (1)1 总体方案设计 (1)1.1任务要求 (1)1.2 方案论证 (1)1.2.1电机调速控制模块的选择方案 (1)1.2.2电机测速模块的选择方案 (2)1.2.3电机转速显示模块的选择方案 (2)1.2.4控制器的选择方案 (3)1.3 总体方案选择 (3)2 硬件电路的设计 (4)2.1 AT89S51单片机最小系统电路 (4)2.1.1AT89S51单片机芯片简介 (4)2.1.2AT89S51的管脚排列 (4)2.1.3晶振电路 (5)2.1.4复位电路 (5)2.2 转速检测电路 (6)2.2.1霍尔元件3144简介 (7)2.2.2霍尔元件的使用注意事项 (7)2.2.3霍尔元件3144的电路设计 (7)2.3 数码管显示电路 (8)2.3.1数码管简介 (8)2 / 442.3.3数码管显示电路设计 (9)2.4 单片机ISP下载电路 (9)2.5 电机驱动电路 (10)2.5.1L298N芯片简介 (10)2.5.2驱动电路设计 (11)2.5.3保护电路设计 (12)3 电机调速设计 (12)3.1 PWM控制技术 (12)3.1.1PWM简介 (12)3.1.2PWM优点 (13)3.2 电机调速控制 (13)3.2.1调速原理 (13)3.2.2实现方法 (14)4 系统软件设计 (14)4.1 程序设计流程图 (14)4.2 单片机片内定时计数器介绍 (15)4.2.1定时计数器的结构 (15)4.2.2定时计数器的工作寄存器TMOD和TCON (15)4.3 片内中断系统简介 (16)4.3.1中断的概念 (16)4.3.2中断控制寄存器IE、IP (17)4.4 数码管显示程序的设计 (18)3 / 444.4.2转速显示实时更新的程序设计 (19)4.5 直流电机启动、停止程序的设计 (20)4.6 电机自动调速程序设计 (21)5 系统调试与数据测试 (23)5.1 系统调试 (23)5.1.1元件焊接与整板测试 (23)5.1.2系统软件调试 (24)5.2 系统实验 (24)5.2.1测试方法 (24)5.2.2测试结果分析 (24)6 结论 (25)谢辞 (26)参考文献 (27)附录 (28)附录一：系统原理图 (28)附录二：系统PCB (28)附录三：程序清单 (29)4 / 445 / 44引言直流电机的定义：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。

专业课程设计题目三直流电动机测速系统设计院系：专业班级：小组成员：指导教师：日期：前言1.题目要求设计题目：直流电动机测速系统设计描述：利用单片机设计直流电机测速系统具体要求： 8051 单片机作为主控制器、利用红外光传感器设计转速测量、检测直流电机速度，并显示。

元件： STC89C52、晶振(12MHz)、小按键、 ST151、数码管以及电阻电容等2.组内分工(1)负责软件及仿真调试：主要由完成(2)负责电路焊接：主要由完成(3)撰写报告：主要由完成3.总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示 :数码管显示按键控制单片机 PWM 电机驱动一、转速测量方法转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。

按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法 (如离心式转速表) 、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪) 以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

本文介绍的采用单片机和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。

对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。

在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种：①测频率法:在一定时间间隔t 内,计数被测信号的重复变化次数N ,则被测信号的频率fx 可表示为f x =Nt(1)②测周期法:在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数m0 ,则被测信号频率fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。

③多周期测频法:在被测信号m1 个周期内, 计数时钟脉冲数m2 ,从而得到被测信号频率fx ,则fx 可以表示为fx =m1 fcm2, m1 由测量准确度确定。

电子式定时计数法测量频率时, 其测量准确度主要由两项误差来决定: 一项是时基误差 ; 另一项是量化± 1 误差。