基于PWM的直流电机调速系统软件.docx

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基于PWM的直流电机调速系统软件

论文题目：

基于PWM的直流电机调速系统（软件）

专业：

自动化

本科生：

（签名）

指导教师：

（签名）

摘要

直流电机具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、高的效率、优异的动态特性；到目前为止，直流电机仍然是大多数调速控制电动机的优先选择，现已广泛用于工业控制的各个领域。

显然对它的控制也越来越重要。

本设计是基于PWM的直流电机调速系统的软件设计。

本设计采用单片机STC89C52为控制核心，产生PWM脉冲，通过改变占空比实现对直流电机转速的控制。

利用霍尔元件将测得的脉冲信号反馈到单片机中，经单片机处理之后与设定值作比较，从而达到转速闭环控制的目的。

本论文重点介绍了系统的软件设计，如何对控制系统各个模块进行设计，然后和硬件连调进行综合设计，最后写出软件程序，实现设计的要求。

关键词：

直流电机，单片机，占空比，调速系统，闭环控制

Subject:

TheSpeedControlSystemofDCmotorBasedonPWM（Software）

Specialty:

Automation

Name:

（Signature）＿＿＿＿

Instructor:

（Signature）＿＿＿＿

ABSTRCAT

DCmotorhasgoodlinerspeedcharacteristics,simplecontrolperformance,highefficiencyandexcellentdynamicperformance;Sofar,DCmotorisstillthemostpreferredchoice,andithasbeenwidelyusedinindustrialcontrolfields.Itisalsoclearthatthecontrolisthemostimportant.

ThisdesignisthesoftwaredesignofthespeedcontrolsystemofDCmotorbasedonPWM.ThisdesignusedthesinglechipSTC89C52asthecoretogeneratePWMpulse,thencontrolDCmotorspeedbychangedthedutycycle.Themeasuredpulsewillbefedbacktothesinglechipbymeansofthehallelement,inordertoachievethepurposeofspeedclosed-loopcontrol,thesetvaluewouldbecomparedwiththesignalthathasbeenprocessedwithsinglechip.

Thisthesismainlytalkedaboutsoftwaredesign.Thenitwilltalkaboutdesignofeachcomponentandthecomprehensivedesign.Itwillbefollowedbysoftwareprogramtoachievethedesignrequirements.

Keywords:

DCmotor,singlechip,dutycycle,speedsystem,closed-loopcontrol

目录

第1章绪论-1-

1.1课题研究的背景-1-

1.2直流调速系统在国内外的发展状况-1-

1.3本课题研究的目的和意义-3-

1.3.1直流调速系统研究意义-3-

1.3.2研究内容和技术要求-4-

第2章控制系统及其控制方法-5-

2.1直流调速系统概述-5-

2.2控制系统各模块设计-5-

2.3控制系统的数学模型-5-

2.3.1控制系统的系统结构图-5-

2.3.2控制系统的静态结构图和动态结构图-6-

2.4控制系统的控制方法-7-

第3章系统总体方案的设计-10-

3.1单片机应用系统-10-

3.2电动机调速控制的方法-12-

3.3键盘的选择-13-

3.4液晶显示器的选择-13-

3.5测速模块的选择-14-

3.6PWM调宽模块-14-

3.6.1PWM调宽方式-14-

3.6.2PWM调速工作方式-15-

3.6.3PWM调速工作原理-15-

3.7闭环系统的设计-18-

第4章系统硬件设计-19-

4.1系统总体框图设计-19-

4.2直流电机的简介-20-

4.3各主要器件及元件介绍-21-

4.3.1直流稳压电源设计-21-

4.3.2独立键盘模块设计-21-

4.3.3L298N芯片概述-21-

4.3.4LCD1602简介-22-

4.3.5霍尔元件介绍-22-

第5章系统软件设计-23-

5.1主程序的设计-23-

5.2电机驱动程序的设计-24-

5.3PWM波程序的设计-25-

5.4按键子程序的设计-26-

5.5LCD1602的显示程序-27-

5.6定时/计数器T1测速程序的设计-28-

5.7转速闭环控制程序的设计-30-

第6章系统的硬件和软件调试-32-

6.1Proteus调试软件的介绍-32-

6.2KeilC51软件的简介-32-

6.3Keil与Proteus联调-33-

第7章总结与展望-36-

致谢-38-

参考文献-39-

附录一-40-

附录二-47-

第1章绪论

本章主要介绍了直流电机调速目前在国内外的发展状况，以及本课题的研究意义和主要的设计内容。

1.1课题研究的背景

随着社会的发展和各种技术的更新，以及生产质量和工艺的不断增长和改善，自动调速已经广泛应用到各行各业中并且对其要求也越来越高。

对调速系统的控制，可分为直流调速和交流调速。

直流电机的调速具有很好的调速特性，有很大的过载能力，并且可以平滑，快速地调速。

可以实现多次正、反转，并且能够适应生产和生活中的各种控制要求，至今在机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域一直都有广泛的应用，到目前为止仍是调速系统的主要形式。

虽然直流电机在价格，性能，维护等方面不如交流电动机，但是直流电动机具有调速性能好，启动容易，能够重载启动等优点，所以目前直流电动机的应用很广泛。

直流电动机就是因其转速比较灵活，方法简单，且有很多优点。

因此在传动控制领域占有很高的地位。

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，为此对直流电机的速度调节，我们可以采用多种办法，而有一种通过使用价格低廉、通用性很强单片机为控制芯片的方法，以PI调节控制算法为基础，完成直流电机转速的调节，达到了控制性能好、成本低的目的。

另外，以单片机为核心的电机调速系统还有维修简单、柔性强等优点。

在直流电机的测速系统中，随着现代技术的发展已经广泛使用PWM技术来对电机的转速进行控制，而且在电机的调速模块中，是从最初的用电位器调整直流电压从而达到电机调速的目的；然后是采用继电器的开关切换对电机进行速度的控制；现在是用封装集成好的H型器件，或是IGBT组成的H型电路，从而对电机进行调速。

通过比较发展过程中的电机控制方法可知，在以上三种控制模块里主要以H型电路的驱动最为简单，可以简单控制电机的速度和转向的变化，因此也出现了L298N这些内部H桥型的芯片的封装，从而可以直接利用L298N这些类似芯片直接来驱动电机。

1.2直流调速系统在国内外的发展状况

直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换机械。

它一般应用于启动和调速要求较高的机械上，例如，机床、电车、电气轨道牵引、挖掘机械、纺织机械等。

与交流电机相比，直流电机的主要不足在换向的问题上，它限制了直流电机的极限容量，又使直流电机的结构复杂，消耗较多有色金属，维护比较麻烦，致使直流电机的应用受到一定的限制。

直流电机的出现可追溯到由MichaelFaraday所发明的碟型马达，直到1833年，皮克西在电磁力和电磁感应定律的基础上，利用永久磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置支撑了一台旋转磁极式直流发电机。

基于电机的可逆原理，直流电动机也就应运而生，当时直流电动机制造的指导思想是电磁铁之间的相互作用并需要用蓄电池供电，因此直流电源就是直流电动机所必须的。

然后经过了长时间的发展，直流电机的励磁、电枢方面都在进行不断的改良和创新。

至于电机理论方面，1886年霍普金斯兄弟确定了磁路的欧姆定律。

1891年阿诺特在此基础上建立了直流电枢绕组理论。

这些理论的诞生，让直流电机的设计和计算建立在更加科学，精确的基础之上。

直到19世纪90年代，直流电机已然拥有了现代直流电机的主要结构特点。

说到我国的直流电机的发展，相对其他国家起步还是较晚的。

生产规模小、设备差、能力欠佳，就连材料也多数依赖于进口。

有数据显示，解放前我国的最高年产量发电机仅2万千瓦，电动机为5.1万千瓦。

但在改革开放以后，电机业得到了飞速发展，有了自己的体系和标准，并生产出了一系列产品。

我国通过自主研发生产出的电机不仅满足了内需，而且还有部分可供出口。

目前，在我国，在功率较大要求较高的现代化自动控制系统中，交流电机是很难达到的，一般还是采用直流电机驱动。

在不同性质的工业生产中，直流电机也以不同形式发挥着关键作用，例如利用它在不同转速下能承受的冲击过载，频繁起、制动的特点，在冶金工业中可以驱动各种轧钢机；又如，利用它良好的调速性和高的过载力，在矿业中驱动卷扬机和电铲。

总之，直流电机凭借它优良的性能，被广泛应用在了各个领域。

基于直流电机的电气系统一般都用于调速，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电机的电枢绕组供电，经过改变电机电枢回路当中的电阻值来达到调速的目的。

这种调速方法的优点在于简单易行，且设备的制造价格低且方便，但其缺点是有效率低，机械特性过软，且不可以在较宽的范围内实现较平滑的调速，所以目前很少使用。

之后，出现了旋转变流机组调速系统，该系统的制动特性较为平滑，损耗的能量少，可以提高系统的效率，但是主要缺点在于要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，体积庞大维修起来较为困难。

其后由于汞弧变流器的出现，利用汞弧变流器代替上面发电机-电动机系统，使电机的调速性能指标进一步提高。

随着微电子技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以微机为核心的数字控制系统。

计算机的发展可以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段[1]。

目前，变频技术及脉宽调制（PWM）技术已经成为电动机控制的主流技术。

PWM控制很早就被提出了，但受到当时电力电子器件技术水平的束缚，一直都未能得到实现。

一直到上世纪80年代，全控型电力电子器件出现，并且得到迅速的发展，PWM技术才真正开始得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展及各种新的理论方法，像现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术得得了迅速的发展，到目前为止，已经有了很多种的PWM控制技术[2]。

正是这些技术的快速发展使得电动机控制技术在近二十年内发生了很大的变化。

首先是模拟实现电动机控制策略慢慢退出了历史舞台，但微处理器、通用计算机、DSP控制器等数字控制系统迅速的发展了起来。

1.3本课题研究的目的和意义

1.3.1直流调速系统研究意义

直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。

长期以来，直流电机一直占据着调速控制系统的统治性地位。

直流电机凭借自身优良的性能在驱动、控制、牵引等许多场合起到了十分重要的作用。

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。

直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。

其换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦。

1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流拖动控制技术得到了飞速的发展，对直流拖动控制系统调节器的设计也有了一套使用的工程设计方法[3,4]。

如今，单片机有着广泛的应用。

单片机全称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）,简称SCM，又称微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。

单片机是相对于单板机而言的，是指将CPU、并行I/O接口、定时/计数器、RAM、ROM等功能部件集成在一块芯片上的计算机。

单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、性价比高、易于推广应用等显著优点。

这些优点使得其应用领域越来越广泛，在通信产品、家电用品、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等领域都有它的身影。

然而单片机的应用远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已经从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。

鉴于直流调速系统的重要地位，因此对直流调速系统的转速控制要求尤为严格和精确，大致涵盖了调速，加减速，稳速这三大方面。

因此，依靠单片机来控制直流电机调速，已经是一种趋势，有着非常重要的意义。

1.3.2研究内容和技术要求

本论文主要的研究内容就是在对直流电机的调速原理和方法有了一定了解的基础之上，采用PWM脉冲调制控制占空比从而改变电压，实现对直流电动机的控制调速。

系统主要是利用单片机的定时器产生PWM脉冲,通过驱动电路进行直流电机调速，键盘操纵电机进行停、转、正反转、加速、减速。

另一方面通过测速电路把电机的转速送给单片机在通过液晶显示出来，从而可以直观的控制电机转速。

系统主要可划分为主控制模块（单片机STC89C52）、直流电机驱动模块（采用L298N驱动电路）、液晶显示按键功能模块（LCD1602）、电源模块、测速模块等，以硬件电路为基础，C语言进行程序编写，软硬件联调后实现以下功能：

（1）通过L298H桥驱动，实现控制和调整直流电机转速和转向的功能。

并通过按键设置实现直流电动机的启动、加速、减速、正转、反转、急停。

（2）用1602液晶显示模块简单的实现电机速度的显示，在LCD上显示电机的工作状态，观察转速的变化。

（3）实现闭环调速，测出电机的实际转速，与设定的值相比较形成偏差并且根据偏差调节转速。

第2章控制系统及其控制方法

2.1直流调速系统概述

直流电动机具有良好的启动、制动性能，在比较宽的范围内能够很好的调速，在调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

直流拖动目前在技术上和理论上都是比较成熟的。

根据生产实践的要求，电力拖动自动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。

各种系统都是通过转速控制来实现的，综上所述，直流调速系统是电力拖动控制系统中最基本的系统。

2.2控制系统各模块设计

根据毕业设计计划任务的要求，本设计要求设计一个转速反馈控制的直流电机调速系统。

该系统采用PWM脉宽调速，并且实时显示电机的实时运行速度。

该控制系统是以STC89C52单片机为核心控制单元，L298N芯片驱动电机，单片机用软件产生的PWM信号来控制电机的启动，停止，正转，反转，加速，减速，用霍尔元件测得脉冲信号，再把最终的转速反馈给单片机，对电机转速进行显示并进行控制。

单片机系统硬件简单，结构紧凑，性能稳定，能够适应各种不同的环境，容易提高和扩展系统功能，得到极为广泛的应用。

2.3控制系统的数学模型

2.3.1控制系统的系统结构图

根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值通过控制器对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。

自动控制系统结构框图如图2—1说所示。

图2—1自动控制系统

控制规律其实是指系统输出信号与输入信号之间的关系。

控制器的输入信号是变送器送来的测量信号与人工内定的或外部输入的设定信号。

设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号e，它是设定值信号r与测量信号x之差。

有e=r-x或e=x-r。

反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：

做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。

本次设计的控制器是STC89C52单片机，执行机构是L298N芯片，被控对象是小型有刷直流电机。

2.3.2控制系统的静态结构图和动态结构图

为了能实现负载变化时稳定转速，根据反馈控制原理，要稳定哪一个参数，就引入相应的参数的负反馈，构成闭环控制系统。

因此，对直流调速系统我们引入转速负反馈，构成转速负反馈闭环直流调速系统。

由系统各环节的输入、输出关系，我们可以画出该系统的静态结构框图，如图2—2所示。

图2—2转速负反馈直流调速系统静态结构框图

其中，Kp为调节器放大倍数；Ks为触发整流装置的比例系数；

为转速反馈系数；可参照上图，建立系统的静特性方程，即

（公式2—1）

而开环系统的机械特性方程式为

（公式2—2）

比较以上两式，从特性曲线硬度、静差率、调速范围等方面来进行分析，则有

（1）相同理想空载转速时，闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多。

（2）相同理想空载转速时，闭环系统静差率比开环系统的静差率小。

（3）相同静差率要求时，闭环系统的调速范围比开环系统的调速范围大得多。

当然，以上的优点都与K的取值有关。

因此，控制器必须具有放大功能，即设置放大器。

尽管如此，由于上述系统是建立在输入偏差ΔUn来维持的，一旦ΔUn为零，则电动机停止运转。

所以，此类调速系统是有静差的。

由自动控制原理的知识可知，若将系统中的比例调节器改换为比例积分调节器，则由于有了积分的累积功能，可以使系统稳态时无静差。

实际上开环放大系数K的增大，有可能引起系统的不稳定。

依据系统各环节的物理规律，可画出转速负反馈直流调速系统的等效动态结构图如图2—3所示：

图2—3转速负反馈直流调速系统的等效动态结构框图

其中，

为电机机电时间常数；

为电枢回路电磁时间常数；Ts为触发整流装置的失控时间。

根据劳斯稳定判据，系统稳定的充分必要条件是：

即

（公式2—3）

因此，只有当K值满足公式3—3时才能使系统稳定运行。

2.4控制系统的控制方法

控制器的控制规律其实就是输出信号与偏差信号之间的函数关系，常用在直流电机调速中的可以分为以下4种。

（1）比例控制（P）：

此种控制方法控制反应灵敏，控制及时，偏差越大控制的能力越强，不过控制结果存在一定的偏差，并且放大倍数的增加是有限度的。

（2）比例积分控制（PI）：

比例积分控制是将比例与积分控制器糅合在一起的一种控制模式，因此其既拥有了比例控制控制及时的优点，也拥有了积分控制消除余差的优势，从而能较好地消除偏差。

图2—4比例积分控制示意图

（3）比例微分控制（PD）：

比例微分控制与比例积分控制相似，都是结合了两种控制的优点，由此可以提高系统的控制速度。

对大惯性的环节使用比例微分可以最大程度的改善控制质量，减小最大偏差，缩短控制时间。

图2—5比例微分控制示意图

（4）比例积分微分控制（PID）

当控制对象惯性较大且控制精度要求较高时便采用PID调节，这种调节方式汲取了三种控制方式的优点，既能快速控制，又能消除余差，具有良好的控制性能。

图2—6比例积分微分控制示意图

比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差。

所以调速系统会有静差。

积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速，比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。

从无静差的角度突出的表明了积分控制优于比例控制的地方，但是从另一方面看，在控制的快速性上，积分控制又不如比例控制。

如果既要稳态精度高又要动态响应快，只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例（PI）积分控制。

PI控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元，它的基本原理比较简单，基本的PI控制规律可描述为：

（公式2—4）

相比较于平PID控制，PI控制器原理简单，使用方便，PI参数

、𝜏和可以根据过程动态特性变化，PI参数就可以重新进行调整与设定。

而且，在转速反馈比环调速系统中，PI调节器应用也很广泛。

比例积分控制集比例控制和积分控制两者的优点，而且克服了各自不足之处，扬长避短，互相补充。

其比例部分能够迅速的响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

除此之外，比例积分调节器还可以提高系统的稳定性，因此，它在调速系统及其他控制系统中得到了广泛的应用。

通过上文对本设计系统的建模和分析，决定采用PI算法控制来对直流电机进行闭环调速。

第3章系统总体方案的设计

本课题研究的对象是直流电动机，对其转速进行控制。

其基本思想是利用89C52单片，通过单片机的定时中断来产生并且调正PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制电机转速。

通过直流电动机的速度反馈实现闭环控制，使得直流电动机能够实现自动起动、自动停止、速度自动控制，方向自动控制等功能，并通过液晶将指定转数、实际转数、旋转方向、运行时间等参数显示出来。

为实现本设计的要求，现将单片机控制直流电动机调速系统分成以下几部分进行方案的比较和选择。

3.1单片机应用系统

单片机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强，控制灵活方便，价格低廉等优点。

内部带有程序存储器的STC89C52单片机本身就是一个最简单的最小应用系统。

它成本低体积小的单片机结构可以对许多应用系统实现高性能的控制。

单片机最小系统由单片机、复位电路、时钟电路以及扩展的程序，数据存储器等组成。

STC89C52单片机引脚如图3—1所示：

图3—1STC89C52单片机管脚图

在常用的89系列的单片机中，51系列只有4K字节的在系统可编程的Flash存储器，128字节RAM。

STC89C52是一种有着低功耗、高性能等优点的CMOS8位的微控制器，具有8K在系统可编程的Flash存储器。

其片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，操作方便，引脚也充足，而且STC89C52，支持ISP串口下载，使得STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

我们通过编写程序来控制单片机执行相应的指令，从而实现对指定电路的控制。

STC

89C52编程前，首先要设置地址、数据控制信号，并且要在地址线和数据线上相应的添加地址信号和数据字节，控制信号的激活等[5]。

在图2—1中，20、40分别是接地和+5V引脚。

P0端口（P0.0～P0.7，39～