基于单片机的DC电机调速系统设计
专业:自动化
本科生:刘晓宇(签名)_ _ _ _
讲师:胡晓东(签名)
DC电机调速器的硬件设计
摘要
DC电机广泛应用于各种场合，为了使机械设备以合理的速度工作，需要调整DC电机的转速。本实验构建了基于C8051F020单片机的单闭环调速系统。通过PWM信号改变电机的电枢电压，用软件完成速度的单闭环PI控制，从而实现DC电机的平滑调速，并对PI控制的原理及其参数的确定有更深入的理解。实验结果表明，控制8位PWM信号的输出，可以平滑地改变电机的电枢电压，实现电机的升速、降速和反转功能。在实验中，霍尔元件用于检测和反馈电机速度。所需的速度可以通过功能键给出。当比例参数为0.08，积分参数为0.01时，电机转速可在3秒左右达到稳定。实验结果表明，单闭环调速系统能够对DC电机进行调速，达到了预期的效果。
关键词:DC电机，C8051F020，脉宽调制，调速，数字。
题目:DC电机调速器的硬件设计
专业:自动化
姓名:刘晓宇(签名)
讲师:胡晓东(签名)_ _ _ _ _
DC电机调速器的硬件设计
摘要
直流电机是一种广泛应用于各种场合的电机。在某些应用场合，调速系统是用来满足直流电动机在一定范围内调速的要求。本实验基于C8051F020单片机的数字闭环控制系统。采用PI调节器和PWM来调节直流电机的速度。本文讨论了直流电机的调速方法，并对PI调节器有了深入的了解。根据实验，可以通过调节8位PWM来实现电枢电压的线性化控制。因此直流电机可以加速、减速或反转。在实验中，霍尔元件作为检测器，反馈速度。期望的速度可以通过按键给出。使用PI调节器，当选择P值为0.8，I值为0.01时，直流电机将在10秒内达到稳定速度。最后，实验表明该调速系统能够达到预期的效果。
关键词:直流电机，C8051F020，脉宽调制，调速，数字
目录
第一章简介1
1.1 DC调速系统的开发
1.2国内外发展概况2
1.2.1二国内发展概况
1.2.2国外发展概况3
1.2.3汇总4
1.3本课题的研究目的和意义4
1.4论文主要研究内容4
第二章DC电机调速器工作原理6
2.1 DC电机调速方法及原理6
2.2电机PWM(脉宽调制)调速的工作原理7
2.3速度负反馈单闭环DC调速系统原理11
2.3.1单闭环DC调速系统的组成
2.3.2速度负反馈单闭环系统的静态特性12
2.3.3转速负反馈单闭环系统的基本特性13
2.3.4转速负反馈单闭环系统的局限性14
2.4带PI调节器的单闭环无静差调速系统15
2.5数字速度负反馈单闭环系统原理17
2.5.1原理框图17
2.5.2数字PI调节器18的设计原理
第三章DC电机调速器的硬件设计
3.1系统硬件设计总体方案及框图20
3.1.1系统硬件设计总体方案20
3.1.2整体框图20
3.2系统硬件设计20
20 c 8051f 020
3.2.1.1单片机介绍20
3.2.1.2使用可编程定时器/计数器阵列获得8位PWM信号23
3.2.1.3 MCU端口配置23
主电路25
3.2.3 LED显示电路26
3.2.4钥匙控制电路27
3.2.5速度检测和反馈电路28
3.2.6 12V电源电路30
3.3硬件设计总结31
第四章实验操作结果及讨论32
4.1实验条件和操作结果32
4.1.1开环系统运行结果32
4.1.2单闭环系统运行结果32
4.2结果的分析和讨论32
4.3实验中遇到的问题及讨论33
结论34
致谢35
参考文献36
文件摘要38
附录1 DC电机调速器硬件设计电路图39
附录2 DC电机控制系统程序清单42
附录3硬件物理图57
第一章是绪论
1.1 DC调速系统的研制
在现代工业中，电机作为电能转换的传动装置，广泛应用于机械、冶金、石化、国防等工业部门。随着生产技术和产品质量的不断提高以及产量的增加，越来越多的生产机器要求自动调速。
在调速传动系统中，根据驱动电机的类型，可分为两大类:DC调速系统和交流调速系统。交流电机DC具有结构简单、价格低廉、维护简单、转动惯量小等优点，但主要缺点是调速困难。相比之下，DC电机虽然存在结构复杂、价格昂贵、维护麻烦等缺点，但由于其起动转矩大、起动和制动性能好、容易在较大范围内平滑调速，仍是自动调速系统的主要形式。
DC调速系统的发展得益于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术进步，让DC调速系统发生了翻天覆地的变化。其中，电机的控制部分已逐渐由模拟控制让位于基于单片机的微处理器控制，形成了数模混合控制系统和纯数字控制系统，并正在向全数字控制方向快速发展。电机驱动部分使用的功率器件也经历了几次更新。目前，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT已经成为主流。功率器件控制条件的改变和微电子技术的使用也使新的电机控制方法得以实现。脉宽调制控制方法已广泛应用于DC调速。
1964 A.Schonung和H.stemmler首先提出将PWM技术应用于电机驱动，为电机驱动的推广应用打开了新的局面。20世纪70年代以来，体积小、功耗低、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器的商品化，将电机控制推向了一个全新的阶段，以微处理器为核心的数字控制(简称微机数字控制)成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM经常代替数模转换器(DAC)进行功率输出控制，其中DC电机的速度控制是最常见的应用。通常采用PWM结合桥式驱动电路实现DC电机调速，这种方式非常简单，调速范围很宽。在DC电机的控制中，主要采用恒频调宽的方法。
目前，有三个主要的电机速度控制模块:
(1)，利用电阻网络或数字电位器调节DC电机的分压，从而达到调速的目的；
(2)继电器用于控制DC电机的开启或关闭，通过开关的切换来调节电机的速度；
(3)采用了由IGBT管组成的H型PWM电路。单片机控制IGBT管工作在占空比可调的开关状态，精确调节电机转速。
1.2国内外发展概况
1.2.1国内发展概况
自20世纪60年代初我国制造出第一只硅晶闸管以来，晶闸管DC调速系统得到了迅速发展和广泛应用。中小功率0.4 ~ 200 kW晶闸管DC调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。
目前，全国各地的高校、科研院所和生产厂家都在开发数字DC调速系统，并提出了许多关于DC调速系统的控制算法:
(1)，DC电机和DC调速系统的参数辨识方法。根据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法可以得到系统环节的内部参数。所得参数精度高，方法简单易行。
(2)DC电机调速系统的内模控制方法。该方法根据内模控制原理，为双闭环DC电机调速系统设计了内模控制器，替代了传统的PI调节器，成功地解决了速度超调问题，使系统获得了优良的动静态性能。此外，设计方法简单，控制器易于实现。
(3)单神经元自适应智能控制方法。该方法根据DC传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静态和动态性能，而且具有令人满意的鲁棒性和适应性。
(4)模糊控制方法。该方法尝试将模糊控制理论应用于小型惯性系统。1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可用于DC分流电机的限流起动和恒速运行控制，并可获得理想的控制曲线。
上诉控制方法只是DC电机调速系统应用和研究的一个方面，国内外许多学者对其进行了不同程度的研究。
1.2.2国外发展概况
随着各种微处理器的出现和发展，国外对DC电机数控调速系统的研究也在不断发展和完善，特别是在20世纪80年代，达到了前所未有的繁荣。大型DC电机的调速系统一般采用晶闸管整流器来实现。为了提高调速系统的性能，研究人员对晶闸管触发脉冲的控制算法进行了大量的研究，提出了内模控制算法、用I-P控制器代替PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等。
目前，国外主要的电气公司，如瑞典的ABB、德国的西门子、AEG、日本的三菱、美国的东芝、美国的GE等。，开发了数字DC调节装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品可供选择。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24系列整流器，是由三相交流电源直接供电的全数字控制装置，结构紧凑，用于DC电机的电枢和励磁电源，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，可通过并联SITOR晶闸管单元进行扩展。根据不同的应用，我们可以选择单象限或四象限的设备，它有一个参数设置单元，不需要任何其他附加设备就可以完成参数设置。所有控制、调节、监视和附加功能均由微处理器实现，给定值和反馈值可选择数字或模拟。
1.2.3汇总
随着生产技术的发展，对DC电传动在制动、正反转、调速精度、调速范围、静态特性和动态响应等方面提出了更高的要求，这就需要大量的DC调速系统。因此，人们对DC调速系统的研究将会更深入。
1.3本次研究的目的和意义。
DC电机是最早的电机，也是最早实现调速的电机。长期以来，DC电机一直占据着调速的主导地位。由于其良好的线性调速特性、简单的控制性能、高效率和优良的动态特性，仍然是大多数调速电机的最佳选择。因此，研究DC电机的速度控制具有重要的意义。
随着单片机的发展，数字DC PWM调速系统在工业中得到了广泛的应用，控制方法也越来越成熟。它对单片机的要求是:足够快；有一个PWM端口，用于自动产生PWM波；具有捕获功能，用于频率测量；有A/D转换器，对电机的输出速度、输出电压、电流进行模数转换；有各种同步串行接口和足够的内部ROM和RAM来减小控制系统的尺寸。有看门狗和电源管理功能。因此，本实验选用Cygnal公司的单片机C8051F020。
通过基于C8051F020单片机的DC PWM调速系统的设计和调试，可以得出结论:在掌握C8051F020的同时，可以进一步加深对DC电机调速方法和PI控制器的理解，巩固运动控制的相关知识。
1.4论文主要研究内容
本课题的研究对象是DC电机，并对其速度进行控制。基本思路是利用C8051F020自带的PWM口，通过调节PWM的占空比来控制电机的电枢电压，进而控制转速。
系统的硬件设计是:以C8051F020为核心，由速度环、显示、按键控制等电路组成。
详情如下:
(1)，介绍DC电机的工作原理和PWM调速方法。
(2)完成了以C8051F020为控制核心的DC电机数字控制系统的硬件设计。
(3)在分析系统特性的基础上，采用PWM控制电机转速，并通过实验得出合适的PI控制及相关参数。
(4)总结了数字DC电机调速系统的性能。
第二章DC电机调速器工作原理
2.1 DC电机调速方法及原理
DC电机的速度和各种参数之间的关系可以用下面的公式表示:
从上式可以看出，改变DC电机的转速有三种不同的方法，即调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通φ。
三种调速方式的比较见表2-1。
表2-1三种电机调速模式对比
调速模式和方法控制装置调速范围速度变化率平稳性动态性能恒转矩或恒功率效率
改变电枢电阻串和电阻的变阻器或接触器2:1低速时最好用变阻器。
接触器和电阻差，无自动调节能力，恒转矩低。
改变电枢电压的电动发电机组或电动机放大器(磁放大器):10: 1 ~ 20: 1，最好是恒转矩60% ~ 70%。
静止变流器晶闸管变流器50: 1 ~ 100: 1小而好恒转矩80% ~ 90%
DC脉宽调制晶体管或晶闸管DC开关电路50: 1 ~ 100: 1小而好恒转矩80% ~ 90%。
改变磁通串联电阻或可变DC电源DC电源变阻器3:1
~
5:1大差恒功率80% ~ 90%
电机放大器或磁放大器更好。
晶闸管转换器是好的
根据表2-1，对于要求在一定范围内无级调速的系统，调节电枢供电电压是最好的办法，可变电枢电压调速法也是应用最广泛的调速方法。
2.2电机PWM(脉宽调制)调速的工作原理
在DC速度控制系统中，开关放大器提供驱动电机所需的电压和电流，通过改变施加到电机上的电压的平均值来控制电机的运行。在开关放大器中，晶体管经常被用作开关器件。像开关一样，晶体管总是开和关的。当晶体管导通时，其上的压降可以忽略不计；当晶体管关断时，其两端的电压降很大，但电流为零，因此无论晶体管是导通还是关断，输出晶体管中的功耗都非常小。比较简单的开关放大器就是按照固定的频率开启和关闭放大器，根据需要在一个周期内改变“开启”和“关闭”的相位宽度。这种放大器被称为脉冲调制放大器。
PWM脉宽调制技术是通过调制一系列脉冲的宽度，等效地获得所需波形(包括形状和幅度)的技术。
根据PWM控制技术的特点，迄今为止主要有八种方法:相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM、谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM和空间电压矢量控制PWM。
图2-1和图2-2给出了用开关管对DC电机进行PWM调速的原理图和输入输出电压波形。当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，DC电机电枢绕组的两端受电压控制。几秒钟后，电网输入变低，开关管关断，电机电枢两端的电压为0。几秒钟后，栅极输入再次变高，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应于输入电平，DC电机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。电机电枢绕组两端的平均电压为:
公式2-1
其中-占空比，
占空比表示开关管的导通时间与一个周期中的周期的比值。变化范围为0≤≤1。根据公式2-1，当电源电压一定时，电枢端电压的平均值取决于占空比，通过改变该值可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速的原理。
占空比是PWM调速中的一个重要参数。以下是改变占空比的三种方法:
(1)，定宽调频法:保持不变，改变它，从而改变周期(或频率)。
(2)调宽调频法:保持不变，改变它，从而改变周期(或频率)。
(3)恒频调宽法:保持周期(或频率)不变，同时改变。
由于前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)，当控制脉冲的频率接近系统的固有频率时，会引起振荡，所以很少使用。目前，第三种方法主要用于DC电机的控制。
图2-1 PWM速度控制原理
图2-2输入和输出电压波形
产生PWM控制信号有四种方法，即:
(1)，由分立电子元件组成的PWM信号发生器。
这种方法用分立的逻辑电子元件构成PWM信号电路。是最早的方式，现在已经淘汰了。
(2)软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件向该引脚连续输出高低电平来实现PWM信号的输出。这种方法占用大量CPU时间，对单片机性能要求高，容易实现，目前正逐渐被淘汰。
(3)、专用PWM集成电路
自从PWM控制技术出现后，芯片厂商就生产了专用的PWM集成电路芯片，现在市面上的种类也很多。这些芯片除了具有PWM信号产生的功能外，还具有“死区”调整和保护功能。在单片机控制的DC电机系统中，采用专用的PWM集成电路可以减轻单片机的负担，工作更加可靠。
(4)单片机的PWM端口
新一代单片机增加了很多功能，包括PWM功能。单片机可以通过初始化设置自动发出PWM脉冲波，CPU只有在改变占空比时才能干预。
其中，后两种方法常用于获得PWM信号。实验中使用方法(4)获得PWM信号。
2.3速度负反馈单闭环DC调速系统原理
2.3.1单闭环DC调速系统的组成
只有通过改变触发或驱动电路的控制电压，才能改变功率转换电路的平均输出电压，达到调节电机转速的目的，这种调速系统称为开环调速系统。然而，开环DC速度调节系统具有局限性:
(1).通过控制可调DC电源的输入信号，可以连续调节DC电机的电枢电压，实现DC电机的平滑无级调速。但是，当电动机大范围启动或升压时，电枢电流可能远远超过电动机的额定电流，这可能损坏电动机，并因过流而烧毁DC可调电源。因此，我们必须设法限制电枢动态电流的幅值。
(2)开环系统的额定转速降一般比较大，使得开环系统的调速范围D很小，对于大部分需要调速的生产机械来说不能满足要求。因此，必须采用闭环反馈控制方法，以减小额定动态速度降，增大调速范围。
(3)开环系统对负载扰动有静态误差。为了消除干扰和动态误差，必须采用闭环反馈控制。
为了克服其缺点，提高系统的控制品质，必须采用带负反馈的闭环系统，框图如图2-3所示。在闭环系统中，系统的输出通过检测装置(传感器)引至系统的输入，与系统的输入进行比较，从而得到反馈与输入之间的偏差信号。利用这个偏差信号，控制器(调节器)产生控制效果，自动校正偏差。因此，带有输出负反馈的闭环控制系统可以提高系统的抗干扰性和控制精度，被广泛应用于各种自动调节系统中。