毕业设计基于单片机的直流电机调速系统设计

河南科技大学2009 届本科毕业论文论文题目：基于单片机的直流电机调速系统设计学生姓名：所在院系：信息工程学院所学专业：计算机科学与技术导师姓名：完成时间：2009-05-22摘要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且把它与延时电路相结合完成了在主电路中对直流电机的控制。

另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D 转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现。

关键词：PWM信号，测速发电机，PI运算1The Design of Direct Current Motor speed Regulation SystemBased On SCMChenliSchool of Information and EngineeringAbstractThis article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation o f D.C. motor. What’s more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI calculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it.Key words:PWM signal，tachogenerator，PI calculation2目录1. 引言 (1)1.1 开发背景 (1)1.2 选题的目的和意义 (1)1.3 研究方法 (2)2. 总体设计概述 (2)2.1 总体硬件电路设计 (2)2.1.1系统总体设计框图 (2)2.1.2 8051单片机简介 (3)2.1.3单片机系统中所用其他芯片选型 (4)2.2 PWM信号发生电路设计 (7)2.2.1 PWM的基本原理 (7)2.2.2 PWM信号发生电路设计 (8)2.2.3 PWM发生电路主要芯片的工作原理 (9)2.3 功率放大驱动电路设计 (10)2.3.1芯片IR2110性能及特点 (10)2.3.2 IR2110的引脚图以及功能 (11)2.4 主电路设计 (11)2.4.1 延时保护电路 (11)2.4.2 主电路 (11)2.4.3 输出电压波形 (13)2.4.4系统总体电路图 (14)2.5 测速发电机 (15)2.6 滤波电路 (15)2.7 A/D转换 (15)2.7.1芯片选型 (15)2.7.2 ADC0809的引脚及其功能 (16)3.系统软件部分的设计 (16)3.1 PI 转速调节器原理图及参数计算 (16)3.2 系统中的部分程序设计 (17)3.2.1主程序设计 (17)3.2.2 PI控制算法子程序设计 (18)4. 系统调试 (19)4.1软件调试 (19)4.2系统仿真 (20)结论 (21)致谢 (21)参考文献 (22)附录 (23)31. 引言1.1开发背景现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装臵向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又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。

直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。

改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

1.2选题的目的和意义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。

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，1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。

1.3研究方法本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。

利用直流测速发电机测得电机速度，经过滤波电路得到直流电压信号，把电压信号输入给A/D转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。

2. 总体设计概述单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内―接通‖和―断开‖时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的―占空比‖来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。

因此，PWM又被称为―开关驱动装臵‖。

本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM 调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。

本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。

而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。

2.1总体硬件电路设计2.1.1系统总体设计框图本系统采用89C51控制输出数据，由PWM信号发生电路产生PWM信号，送到直流电机，直流电机通过测速电路，滤波电路，和A/D转换电路交数据重2。