一、课程设计的主要目标任务
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能[2]。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
二、课程设计系统方案选取
1. 直流电动机运行原理
脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM 控制技术的理论基础为：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，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 3 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。 直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为
图1：直流电机原理图
式中 Ua ——电枢供电电压（V ）； Ia ——电枢电流（A ）； Ф——励磁磁通（Wb ）； Ra ——电枢回路总电阻（Ω）； CE ——电势系数， ，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua 、Ra 、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra ；；(2)改变电枢供电电压Ua ；(3)改变励磁磁通Ф。
如图1所示：
改变直流电机电枢绕组两端电源电压U 大小就可以调节直流电机转速的大小； 改变直流电机电枢绕组两端电源电压U 方向就可以改变直流电机转速方向。 Φ
-=
e a a N C R I U n
方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：采用由三极管组成的H 型PWM 电路。用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术。
兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。
2. PWM 调速原理
图1为PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a 中，假定晶体 管V 1先导通T 1，秒(忽略V 1的管压降，这期间电源电压Ud 全部加到电枢上)，然
后关断T 2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复，则电枢端电压波形如图1b 中
所示。电动机电枢端电压Ua 为其平均值。
图1 PWM 降压斩波器原理电路及输出电压波形
a) 原理图 b)输出电压波形
1112a d d d T T U U U U T T T
α===+ (3) 式(3)中 1112T T T T T α=
=+ （4）
α为一个周期T 中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变α的值，从而达到调压的目的：
(1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化；
(2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化
(3)定频调宽法：T1+T2=T保持一定，使T，在0～T范围内变化。
不管哪种方法，α的变化范围均为0≤α≤l，因而电枢电压平均值Ua 的调节范围为0～Ud，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图1—2a所示的桥式(或称H型)降压斩波电路。
3. PID调节
PID控制的直流电动机调速控制原理图如下：
图3：电动机调速控制原理图
基于PID 的电动机调速控制程序流程图如下：（扩展功能）
图4：基于PID 的电动机调速控制程序流程图
6. 数据处理
速度检测一般有三种方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。
1.M 法测速：是在规定时间T c 内[12]，对位置脉冲信号是个数m 1进行计数，从
而得到转速的测量值，
n =c
N T P m 160 P N 是每个位置周期所含有的信号脉冲数，适用于高速运行时的测速，低速时精度较低
2.T 法测速：测出相邻两个位置信号的间隔时间来计算转速的一种方法，而时间的测量是借助计数器对已知频率的时钟脉冲计数实现的，设时钟频率f ，两个位置脉冲间的时钟脉冲个数为m 2,则电机转子位置脉冲信号的周期T 为
T = f m 2 n = N Tp 60 = 2
60m p f N P N 是每个位置周期所含有的信号脉冲数，适用于低速运行时的测速，高速时
