数字PWM直流调速系统设计

I随着人们生活水平的提高与社会发展现代化进程的加快，对自动化技术水平的要求也逐步提高。由于直流电机的灵活，操作简单，易于广泛的平稳调速，控制性能好等特点，其应用变得越发广泛，从而对控制电机制造的要求也越来越高。直流本论文是围绕H型PWM数字直流调速系统进行的设计研究和讨论，力求每个部分系统性能都发挥最优的效果。该设计的组成部分包括双制核心采用了AT89C51单片机。使用全控型大功率晶体管GTR,可以很容易的控制其通断，因而由以上各个组成部分组成的H型PWM调速系统ⅡWiththeimprovementofpeople'slifeandsocialofmodernization,theautomationlevelofrequirementsalsogrDCmotorhastheadvantagthecontrolperformanceisgood,itsapplicationihasbecometocontrolmotormanufacturingrequirementshigherandhigher.SpeedcontrolPWMpulsewidthmodulation,theperformanceofHtypestudyseparatelyanddiscussedeachpartoftheperformanceofeachpartofthplaythebesteffect.Partofthedesignofthedoubleclosedrivingcircuit,theLEDdigitaldisplaytube,currentcontrolcoreusesAT89C51mcu.Theuseofflow-speedperformanceisgood,theadvaKeywords:PWM,GTR,microcontroller,DCm1绪论 1.1研究背景与意义 11.2直流电动机的发展历程 1.3国内外的发展现状 21.3.1国内发展现状 21.3.2国外发展现状 21.4本论文的主要内容 21.5PWM数字直流调速的特点 31.5.1电机微机控制的特点 31.5.2PWM直流调速的特点 32方案的论证与设计 2.1控制方案选择 52.2元器件及控制器设计与选择 52.2.1控制器选择 52.2.2电动机选择 62.2.3晶体管选择 62.2.4设计转速调节器 72.2.5设计电流调节器 72.2.6检测电动机转速 82.2.7显示电路选择 82.2.8电流检测 2.2.9选择A/D转换器 83系统硬件设计 3.1硬件系统总体框图设计 3.1.1单片机的概述 3.1.2设计时钟电路 3.1.3设计复位电路 3.2设计主电路 3.2.1直流电机的PWM控制原理 3.2.2PWM变换器分类 3.3设计驱动电路 3.4测速电路 3.5电流检测电路 3.6键盘显示电路 3.7A/D转换电路 3.8报警电路 223.9设计直流电源电路 4系统软件设计 244.1系统设计的构思 4.3处理与数据采集的子程序设计 4.3.1数字滤波程序 4.3.2数据采集程序 5系统的仿真及操作方法 5.1仿真的启动 5.2仿真系统系统的操作 参考文献 附录1系统设计原理图 附录2系统程序清单 数字直流调速装置不仅可以成功做到调整参数设定，实现信号的给定，到触发脉冲数字化，使用附加的软件通用硬件平台的指定范围来控制直流电动机的功率和电流水平，甚至由同一个控制器就可以只通过参数设定与使用各种软件版本就可以大通信能力，而且他的抗干扰能力很优秀，操作也非常简单。该系统灵活方便的调速方式、长期运作的性能、完善的保护功能和控制器的体积小，弥补了模拟直流速由于数字控制系统具有维护简单、调速精度高、查找故障迅速等优势，使其具最早的直流调速系统是利用恒定直流电压为直流电机的电枢供电，以变更电枢但其存在无法在较宽范围平滑调速、机械特性软、效率低等缺点，所以现在运用极后来又出现了发电机电动机组，配合采用闸流管、电机扩大器、磁放大器等器件，能够达到很好的调速性能，比如转速变化率较小、调速平滑、调速范围宽等特点，但发电机电动机组的系统缺点是必须增加一些辅助励磁设备和两台与调速电机汞弧变流器产生后，迅速代替发电机电动机组，此后调速能力有了进一步的提当世界上出现了第一个晶闸管之后，由晶闸管组成的调速系统马上广泛应用于各种控制领域。相比于别的变流元件，由于其使用寿命长、工作的可靠性高、响应速度快、体积小巧、维修方便等独特的优点，晶闸管供电使直流调速系统的可靠性 2再后来，大功率晶体管整流装置出现，并且因为其实现了小型化、低成本、高集成度和高可靠性，因此代替了从前的各种调速装置，另直流电气传动技术的发展得到了一次大的更新换代。其技术的应用另直流调速系统技术的发展速度大幅度提高，应用范围也进一步的扩大，性能指标大幅度提高。随着新型传感器、新型电力电子开关器件、超大规模集成电路和微型计算机的出现，以及计算机控制技术、电目前，我国对直流调速系统的发展方向正靠向脉宽调制。自从60年代我国的第虽然我国的直流调速技术不断发展，但是一些精密数字控制设备依然需要依靠国外对数字直流调速技术的发展相较于国内要早。目前国外对该技术的研究已国外现在有很多个具有该类产品制造能力的公司，且已达到产品的系列化、模检测回路包括转速检测和电流检测两个方面。转速检测通过数字测速来进行，由按键来对设定值进行确定，并与测量值比较和判断。如果检测值小于或等于便于人工处理。使用闭环电路来作为电流环与转速环，通过软件来进行控制，其中 3以电压环来作为外环，以电流环来作为内环，并且外环的采样周期大于内环。因为采样值会出现扰动的情况，所以要通过软件来进行滤波。显示电路和键盘使用专用现今全控数字系统是发展的主要方向，而大部分的电机微机控制系统都是有模在微机控制系统中一般存在模拟与数字两种信号，信号存在离散的，也存在连只包括数字信号，所以计算机必须进行一个采样的过程才能够处理信息，那么电机(1)能够进行分时操作，使用一台微机便可达到数个控制器的效果，能够对数(2)硬件结构简单，使用很少芯片就能够完成很多功能，并且易于通用。(3)微机的运算速度和精度都很高，其具有大容量储存单元和丰富的逻辑判断(4)微机拥有判断的功能与记忆的功能，由软件来决定系统的控制方向，通常不需要变更系统硬件，只需要按照新的控制规律进行一次新的编程，就能够达到改变控制规律的目的，并且可以在运行时随时根据电机工作状态选择最为有利的系统(5)具有很强信息处理能力，可处理各种数据，及时提供有用的知识与信息制的高频率开关控制的方法，从而形成的脉宽调制变换器与直流电机相结合的调速4(1)当具备适当的开关频率时，电力电子开关器件的开关消耗小，工作在开关(2)需用到的器件比较少，并且主电路的线路比较简单；(3)谐波较少，并且电动机的发热与磨损程度都较低，具有较高的开关频率，(5)调速范围比较广，可以达到1:1000左右，且稳定精度高，低速性能好。5自动控制是与人工控制的概念相对而言的。自动控制顾名思义是利用外加装置和设备，在没有人的直接参与下就可以让设备、机器和生产过程中某参数和工作状自动控制可分为闭环、开环与复合三种控制系统，它们是依据被控对象和控制开环控制指的是被控对象和控制装置间不存在反相联系，只存在正向作用的控(1)组成系统的原件及部件精度高，系统准确度才高。(2)输出对输入没有影响，不需要对输出进行测量，比较容易实现。(3)主要问题不包括系统稳定性(1)存在存在变化规律没有办法预测的干扰时，系统较难实现。(2)对原件及部件的精度要求高。闭环控制系统指的是被控对象与控制装置间有既有方向联系也有正向作用的控(1)精度低的元件部件就可以组成高精度的系统。(2)输入能够被输出影响，能够抑制和削弱干扰。6工业控制计算机：它是一种用于数据采集和工业过程的控制与测量等工作的工(1)有很强的通信能力，有齐全的后备措施。(2)有很好的系统扩展性，并且有开放性。(3)环境适应性强，过程输入与输出配套较好。(4)实时性好，可靠性高。(1)能量消耗低，重量比较轻，体积小。(2)容易改造，维护方便，系统的设计与建造工作量小。(3)运用及原理学习简单。(4)具有很高抗干扰能力及可靠性。(5)适用性强，功能齐全，配套完善。单片微型计算机：是采用大规模集成电路技术把能够处理数据的中央处理器、(1)产品化容易，使用方便。(2)有强大的控制功能。(3)可靠性高，体积小，性价比高。功率电压电流调速范围7如果处于工作信号的频率比较高的情况下，就需要选择使用超高频或高频管。同种型号的晶体管中，通常反向电流越小的，其性能就较好，这个规律对我们进行晶体管的选择提供了一个有效的参考。对于β值通常考虑几十到一百之间，如并且应让其包含在转速调节器中，因为扰动作用点之后已有一个积分环节存在，所以转速环的开环传递函数所存在的积分环节一共有两个。这样就应当设计成能够同依据线性系统理论数据来进行推算，超调量会因为系统中的转速调节器的饱和在进行电流调节器的设计时，必须要优先考虑的是将电流校正成为何种典型系从动态要求上来看，系统不允许超调在电枢电流突加控制作用的时候过大，这8是否及时检测电动机转速密切关系到闭环调速系统控制的精密度。不管是交流转速的基本数字检测方法是根据转速和光电脉冲发生器与电动机同轴连接的输出脉常用显示元件有1602液晶和LED数码管。(1)1602液晶显示：因为它的厚度薄这一优点，能够用于大规模集成电路的直接驱动，容易实现全彩显示。其利用了液晶的物理特性这一原理，利用电压控制显管为发光单元，颜色有单白、红、黄、蓝、绿效果。其优点包括寿命长、成本低、(1)霍尔元件：因为霍尔元件有频带响应宽，输出电动势的变化范围大、对磁(2)直流电差位计：这是根据直流补偿的原理所制造的一种仪器。补偿法的测量结果具有较高的准确度，这是一种比较测量法，在高准确度指示仪器的校准和精因为单片机只能够接收数字信号，所以如果要让外部模拟量被单片机接收，就时间长，但抗干扰力强，适合在现场干扰严重且信号变化慢的场合。逐次逼近式抗9根据本设计需要，选用逐次逼近型A/D转换器。 根据本设计需要，选用了AT89C51单片机。AT89C51是种带4K字节闪烁有编成和擦除功能只读储存器的高性能、低电压烁储存器和多功能8位CPU组合在单个芯片中AT89C51为相当多系统提供了一种廉(1)两个16位计数器/定时器。(2)三级程序储存器锁定。(3)数据保留时间：10年。(4)可编程穿行通道。(5)寿命：1000写/擦循环。(6)有5个中断源(7)时钟电路和片内振荡器；(10)掉电模式和低功耗的闲置。(11)32位可编程I/O接口。(12)全静态工作：OHz-24Hz。(13)与MCS-51兼容。AT89C51共有40个管脚，其管脚电路如下图3.1所示。导导2DWlR9345678GND:该端口用于接地。VCC:该端口用于供电电压PO口：该端口的每个管脚都能够吸收电流8TTL门，是一个8位的漏极开路双向I/O端口，能用于外部程序数据储存器，并且可被定义为数据、地址第八位。在编程，作为原码输入口。位双向I/O口，P2接口缓冲器可以接收。该端口在FLASH进行校验与和编程时作为第八位地址的接收口。P2口：该端口输出电流4TTL门，是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，当该口被写1时，管脚被内部上拉为高电平，作为输入端口。P2口管脚被外部拉低，会输出电流。这是因为内部被上拉。当其用于16位地址外部储存器或外部程序储存器进行存取时，该口输出地址的高八位。当所给地址为1时，其利用上拉优势，在对外八位地址数据储存器进行读写时，它输出其特殊功能寄存器的内容。该口在FLASH校验和编程时接收控制信号和高八位地址信号。P3口：该口的管脚是8个带有内部上拉电阻的双向I/O口，能够接收输出电流 4TTL门。该口写入1之后，被内部上拉成高电平，并且用于输入。作为输入，因为ALE/PROG:FALSH编程时，该引脚就用于输出编程脉冲。地址锁存所目的或者用来对外部输出脉冲。但是要注意，当用于外部数据储存器时，会跳过一个ALE脉冲。若想禁止ALE的输出，可以于SFR8EH地址上置0。这时，只有在执 PSEN有效。但是访问外部数据储存器时，不会出现这两次有效P EA/VPP:在EA维持在低电平时，不论是否有内部程序储存器，这时均为程序储存器。如果加密方式为1,EA会将内部锁定为RESET。EA维持在高电平时，其间为内部程序储存器。FLASH编程时，该引脚单片机是一个结构非常复杂的同步时序电路，为确保其各个内部部件间能够同时进行工作，其内部的电路绝对按照时序在唯一时钟信号下工作，就是单片机时钟AT89C51单片机内部含有一个用来构成振荡(1)外部时钟方式：该方式是直接将振荡时钟脉冲从单片机的外部引入，让振荡时钟脉冲由AT89C51单片机的XTAL1引脚输入，XT外部时钟悬空(2)内部时钟方式：该方式是在XTAL1与XTAL2引脚的两端跨接一个晶体振荡器，利用芯片内部振荡器，这样就可以构成稳定的自激振荡器。如下图3.3所示在单片机出现例如程序进入死循环或跑飞这种未知状态或上电时就需要将单片(1)外接复位芯片：常用复位芯片有MAX810。在某些情况下处在间歇性工作情况时，为确保单片机复位的可靠性，就必须外接复位芯片，这时单片机需要频繁复位。电路如下图3.4所示。(2)上电复位：这种复位方式是通过利用电容充电实现来达到复位的目的。在+(3)按键复位：当单片机在工作过程中需要复位，当复位按键被按下时，此时弹起后RST端经由电阻接地，并完成复位。电路如下图3.6所示。+直流电机转速的控制方法可以分为电枢电压控制和励磁控制两种类型。励磁控制法来控制磁通，控制功率小，然而存在很多缺点。它的动态响应也较差，励磁线而处于低速时又会受到磁极饱和的限制。因此，相比于励磁控制，电枢电压控制法的目的，然而该方法效率非常低。所以随电力电子技术进步，电枢电压控制法也发展了很多种。例如：利用蓄电池之类的直流电源来供电或者利用硅整流器将交流电假设晶体管V1先导通T1秒，然后再关断T2秒，此期间电枢端的电压为0。如要改变a的值来进行调速，用以下三种方法中的(1)变频调宽法：维持T值一定，让T1在O-T1的范围内变化。(2)定宽调频法：维持T1一定，让T2变化。(3)定宽调频法：维持T2值一定，让T1变化。电枢电压的平均值Ua的调节范围是0到Ud,都是正值。这是因为不论用什么(1)每个晶体管的驱动脉冲在低速时仍交款，利于确保晶体管可靠导通。(2)电动机停止时会有微振电流，可以消除静摩擦的死区。(3)调速范围可达到2000左右，低速平稳性好。(4)电动机在四象限运行。(5)电流一定连续。如下图3.8是双极性H型可逆PWM变换器的波形图及电路原理图。V4不能与V2、V3同时导通，因为会造成Ud直通短路。假设V1和V4同时导通T1面之后关断，在间隔一定时间后再让V2和V3同时导通TO≤a≤1,所以电动机可在正反两个方向调速运转。因为电枢电感释放储能作用下V2和V3的c-e极承受反压，V1和V4其驱动电路如图3.9所示。结合本设计所选择的电动机测速法，选择使用6N137广电编码盘。其硬件电路如下图3.10所示。草QAQAB当磁场作用于半导体中的载流子和金属导体时，会产生的横向的电位差，我们称这种物理现象为霍尔效应。如果在电流通过金属箔片的时候在与电流垂直的方向加入一个磁场，这种情况下金属箔片的两面就会出现横向的电位差。霍尔效应在半导体中所呈现的效果相较于处于金属箔片中时更加显著。当相变温度处于居里点以下时，铁磁体所体现的霍尔效应会非常强。因为通电导线的周围有磁场，大小和导在的缺口中，圆环上所环绕的线匝会通过检测电流，磁场就由此产生，那么霍尔传感器就有信号输出。在线圈是9匝，电流是20A时，将产生0.1T磁场强度，那么HD7279是一片可以驱动8位共阴数码管且具有串行接口的智能显示驱动芯片。其可连接64键之多的键盘矩阵，单片便可以完成键盘接口和LED与LED显示的所(1)64键盘控制器，其中含有去抖动电路。(2)右移和左移指令。(3)串行接口，不需要依靠外围元件就能直接驱动LED。(4)有SOIC与DIP两种封装形式可以选择。(5)各种独立控制译码。(6)有段寻址指令，控制独立LED方便。因为单片机只可以接收数字信号，而霍尔元件输出的信号是模拟信号，所以外部模拟量就要在外部模拟器与计算机间加装一个A/D转换器。本设计选择了ADC0809来作为A/D转换原件。ADC0809是一种有微机处理兼容控制逻辑、带有8路多路开关和8位A/D转换器的CMOS组件，是一种逐次逼近型A/D转换器，可与单片机直接接口。ADC0809共28个引脚，其管脚图如下图3.12所示。 EQ\*jc3\*hps24\o\al(\s\up12(6),7) VCCGNDV INO-IN7:用于8路模拟电压输入的端口。A、B、C:模拟输出通道地址的选择线。COE:该端口为输出允许端口，高电平有效。当该端为高电平，将三态输出缓冲START:启动转换脉冲的输入端。其所加信号上升沿把所有内部寄存器清零，A/D转换的电路图如下图3.13所示。 123456789ABC 2323图3.13A/D转换电路图3.8报警电路本设计的报警电路选择蜂鸣器与LED发光二极管。在出现故障时单片机会给出信号，蜂鸣器发出报警，发光二极管被点亮，便可报警电路如下图3.14所示。图3.14报警电路本系统所需要的供电电源有两个：直流5V电源，给单片机和其他芯片供电。直直流5V电源，交流电经过整流桥后，由稳压芯片LM7805将电压稳定为5V,来对单片机进行供电。直流220V电压的电源能够由单相桥式整流电路来产生，然而整流电路输出的电压有很大的交流成分，无法兼容大部分设备和电子电路。所以，在整流之后还要使用滤波电路把直流电压变得平滑。直流电源中的滤波电路相比用在信号处理上的滤波电路，其特点有：(1)可以输出大电流。(2)在理想状态之下，可以完全滤掉交流部分，只留下直流部分。(3)都采用无源电路。电源电路图如下图3.15所示。该设计使用的控制系统为闭环控制系统，采用汇编语言作为系统的编程语言。单元为起始来执行程序，堆栈指针就写入07H。通过单片机输出口接H驱动控制电路，方便于调节电动机转动速度。在按下键使用数码管动态显示来作为显示电路，这样就能够时刻显示当前转速或者电流电流环与转速环都使用闭环，电压环作为外环，电流环作为内环，外环的采样因为采样值存在扰动的情况，所以我们需要使用软件来进行滤波。使用软件控NY人工处理PID就是比例、微分、积分的英文缩写。而PID控制，简而言之就是比例、微分、积分控制，PID控制系统中，PID控制器指的是完成PID控制规律的部分。在实际应用中，可根据被控对象的新能和特征要求选用用不同控制组和。如下图4.2是PID控制算法的方框图。+++该调节作用具备对系统偏差信号的变化进行反映的功能，可以对偏差变化趋势起到提前预知的作用，所以其控制作用非常优异。在偏差形成前便被微分调节消除，能够对系统动态性能有所改善。如果微分时间选择合适，能够减少超调和调节时间。因为微分作用存在加重噪声干扰的缺点，如果过分加强微分调节不利于系统抗扰。微分作用通常需要与其他两种调节相结合来组成PID或PD控制器。且微分作用是反映变化率的，如果输出无变化，微分作用则无输出。积分调节的作用：能够充分消除系统的静态误差。积分调节会在系统出现误差时开始进行，一直到没有误差为止，对系统消除静态误差有着良好的作用。积分作用的强弱由其时间常数决定并与其成反比，积分时间常数越大积分作用就越弱，反之则越强。积分作用一般是与其他两种调节相结合来组成PID或PI调节器。积分调解会降低系统的稳定性，也会拖慢动态响应。能够按比例反应系统偏差。系统出现偏差时在第一时间比例调节就开始作用，降低偏差。比例作用越大，调节速度就越快。如果比例作用过大，会降低系统的稳定性。PID算法流程图如下图4.3所示。将u(k)输出采样时刻是否到?Y4.3处理与数据采集的子程序设计X1<x2NYNYY图4.4中值滤波流程图该设计测量电流是使用霍尔元件VGN3501经过ADC0809转换的方法。开始开始采样次数N=3A/D转换完成?Y读、存结果Y返回5系统的仿真及操作方法使用仿真软件的开始按键开始仿真后，整个仿真系统被激活，数码管被点亮，所显示的数据为0,如下图5.1所示，这时电动机处于停止状态。在停止状态下可以数字数字PWM直流调速系统仿真图P表示正向，-表示反向电机速度显示电机控制与速度调节按键如果已经设定了转速，则电动机从最低速开始缓慢转动，最终转速稳定在设定值。如果已经设定了转速，则电动机从最低速开始缓慢转动，最终转速稳定在设定值。电动机下方会显示实际转速。如果要改变电动机的转动方向，必须再点击一次“启动/停止”按键停止电动机，然后才能进行转动方向的调节。如果电动机逆时针转动，数码管与电动机所显示的转速值前为“-”号。如果电动机顺时针转动，电动机所显示的转速值前为“+”号，而数码管因为无法显示“+”号，所以用字母P来表示。上述说明如下图5.2所示。P表示正向，-表示反向电机速度显示直流电机动指示灯电机控制与速度调节按键直流调速系统的各个部分的软、硬件进行分别研究，并针对各个组成部件的每种类深入的了解。在查阅资料的过程中所接触到的大量自动化相关知识让我对本专业的并且，在这个过程中我对自身优缺点和掌握专业知识的程度也有了透彻的认识，然 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