唐成勇-基于单片机的PWM调速系统设计

湖南科技大学毕业设计（论文）目录第一章概述 (1)1.1 PWM调速系统的组成和功能 (1)1.1.1 PWM信号发生与调节模块 (1)1.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块 (1)1.1.3 负载模块 (1)1.2 单片机概述 (2)1.2.1 单片机及其发展历程 (2)1.2.2 单片机的应用领域及发展趋势 (2)1.3 计算机仿真概述 (2)第二章PWM调速技术 (4)2.1 PWM的基本原理 (4)2.1.1 PWM信号简介 (4)2.1.2 PWM调速原理 (5)2.2 系统设计方案 (6)2.2.1 系统总体设计思想 (6)2.2.2 系统总体设计框图 (6)第三章PWM调速系统设计 (7)3.1 系统硬件设计 (7)3.1.1 主电路设计 (7)3.1.2 AT89C51单片机简介 (7)3.1.3 功率放大驱动芯片介绍 (10)3.1.4 伺服电机介绍 (12)3.2 系统软件设计 (13)3.2.1 程序流程图 (13)3.2.2 C语言程序设计 (13)3.3 PWM调速系统仿真 (16)3.3.1 系统仿真电路图 (16)3.3.2 电压输出波形 (16)第四章结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)附录A Proteus的介绍与使用 (22)附录B Keil的介绍与使用 (26)第一章概述本文主要研究了利用与MCS-51兼容的at89c51单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

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[1]。

PWM 控制技术就是以该结论为理论基础，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。

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。

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C程序来控制单片机，产生PWM信号。

并自动调节PWM信号的占空比。

将信号输入L298驱动芯片从而达到控制直流伺服电机的效果。

该程序能使电机先正转加速再正转减速到0然后反转加速再减速到0.而电机采用的是价格低廉的直流有刷电机。

另使用一个反应灵敏的数字电压表观察直流伺服电机两端的电压。

最后还给出仿真方法和相关仿真图形。

1.1 PWM调速系统的组成和功能[2]1.1.1 PWM信号发生与调节模块作为一个PWM调速系统，首要的是需要产生PWM信号。

PWM的产生方法有很多，包括纯硬件电路产生方法和采用基于可编程器件的软件实现方法。

本文采用单片机编程生成PWM信号，PWM占空比的调节也采用软件实现。

1.1.2 PWM信号放大与电机驱动模块由单片机产生的PWM信号很微弱，PWM 信号产生后并不能直接驱动电机等负载模块，而需要使用专门的电路对该PWM信号进行放大和处理，使其能驱动电机。

本文采用专门的驱动芯片对电机进行驱动。

1.1.3 负载模块PWM信号经过处理后，可用于驱动电机等负载，电机作为电信号转化为机械动力的装置在调速系统中必不可少。

该文采用的是廉价的低电压驱动的直流有刷电机。

1.2 单片机概述1.2.1 单片机及其发展历程单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)、随机存取数据存储器(RAM)、只读程序存储器(ROM)、输入输出电路(I/O口)、可能还包括定时计数器、串行通信口(SCI)、显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)、脉宽调制电路(PWM)、模拟多路转换器及A/D 转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统[3]。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

所以，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

单片机诞生于20世纪70年代，自1971年美国Intel公司制造出第一块4位微处理器以来，其发展十分迅猛，到目前为止，大致可分为以下几个阶段[4]。

（2）4位单片机（1971—1974）：如Intel4004；（2）低档8位单片机（1974—1978）: 如Intel公司的8084，Mostek公司的3870等；（3）高档8位单片机（1978—1982）: 如Intel公司的8051、Motorola公司的Z8和NEC 公司的MPD7800等产品；（4）16位单片机（1982—1990）:如Mostek公司的68200、Intel公司的8096等；（5）新一代单片机（90年代以来）：如NEC公司的MPD7800，Mitsubishi公司的M37700，Reckwell公司R6500/21、R65C29，Intel公司的8044、UPI—452等。

1.2.2 单片机的应用领域及发展趋势随着单片机的发展，其应用领域越来越广，大致有：智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络和通信、医用设备等领域，此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有[5]：（1）低功耗CMOS化；（2）微型单片化；（3）主流与多品种共存。

1.3 计算机仿真概述计算机仿真不仅在没有具体硬件环境的条件下模拟出具体硬件环境，以判断系统的可行性，而且在设计的系统出错时，不至于损害具体硬件环境[6]。

因此，采用系统仿真是非常必要的。

当前能够用于计算机仿真学习单片机的软件也已日趋成熟，比如Keil 都出了8.0以上版本，Proteus也出了7.0以上版本，而各种集成开发环境更是层出不穷，极大地方便了学生通过计算机仿真学习单片机。

尤其是当前最热的几种8位和16位单片机，比如：51系列、A VR系列、PIC系列，仿真学习的条件最为成熟。

甚至32位的ARM单片机也能通过计算机仿真来进行学习。

所以，当前计算机仿真学习单片机的条件已经成熟，应该抓住这个机会，积极地利用它，并为学习单片机服务。

第二章PWM调速技术2.1 PWM的基本原理2.1.1 PWM信号简介脉宽调制(PWM:Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中[1]。

如图2.1所示，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直图2.1 模拟电平的PWM数字编码流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。

电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler 首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面[5]。

从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点[5]。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。

由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM 及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。

为求得改善，随机PWM方法应运而生。

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM 仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。

2.1.2 PWM调速原理PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等[7]。

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，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。