PWM脉宽调制系统设计研究

青岛农业大学毕 业 论 文（设计）题 目： PWM 脉宽调制系统设计研究 姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 指导教师： 2014 年 6 月 18 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计） 。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 目 录摘要 .IAbstract .II1.绪论 .11.1 研究的目的及意义 .11.2 国内外研究现状及发展趋势 .11.3 本论文研究主要内容 .32.PWM 脉宽调速原理 .52.1 直流电机调速原理 .52.2 本章小结 .63.硬件模块设计 .73.1STC89C52RC 单片机特性及管脚说明 .73.2 供电电源部分 .83.3 电动机驱动模块 .93.4PWM 信号的产生 .113.5 本章小结 .124.上位机与控制器通讯接口设计 .134.1 虚拟仪器技术及 LabVIEW.134.2PID 算法 .144.3LabVIEW 编程 .154.4 测量风速、控制风速显示图形 .184.5 本章小结 .195.总结与展望 .20参考文献 .21致谢 .22附录 .23IPWM 脉宽调速控制系统研究摘要直流电机是最早发明并得到广泛应用的电机中的一种。在各种类型的电机中，直流电机因具有良好的启动性能、制动性能和调速性能而在航天、工业、数字化控制等领域中得到了广泛应用。PWM（脉宽调制）调速技术是直流电机中最常用的一种调速技术，具有调速精度高、响应速度快、范围广和平滑调速以及节约电能的优点，因此是直流电机的主流调速技术之一。论文主要研究 PWM 脉宽调制控制系统，该系统是基于 LabVIEW 控制单片机发生 PWM 信号并输出给驱动模块来实现直流电机的调速系统。其中研究了 PWM 的工作原理和实现方法，以及如何利用单片机改变 PWM 信号占空比来实现直流电机调速。另外，还研究了控制器与上位机的通讯接口，实现上位机 LabVIEW 软件与控制器之间数据的传输。在本次设计中完成了 LabVIEW 软件控制单片机实现 PWM 直流电机调速，建立起了 LabVIEW 测量与控制的直流电机转速控制系统，获得了较为可靠的实验成果。关键字：单片机；直流脉宽；LabVIEW；测速；控制转速IIPWM DC Motor Speed Regulating Controll SystemAbstractDC motor is the first invention and has been widely applied in one. In all types of motors, DC motors have a good start because of the performance, braking performance and speed performance and has been widely used in the aerospace, industrial, digital control and other areas. PWM (pulse width modulation) DC motor speed control technology is the most commonly used control technology, with high-speed precision, fast response, wide and smooth speed and energy saving advantages, the mainstream DC motors one speed technology.Thesis, the PWM pulse width modulation control system, which is based on the LabVIEW Control microcontroller PWM signal and output occur to the drive module to achieve DC motor speed control system. Which studied the PWM working principle and method, and how to use the microcontroller to change the PWM signal duty cycle to achieve DC motor speed. Also, study the controller and host computer communication interface, transfer between PC LabVIEW software and controller data. In this design to complete the LabVIEW software control MCU PWM DC motor speed, and establish a DC motor speed control system based on LabVIEW measurement and control, to get a more reliable experimental results.Keywords：microcontroller; DC PWM; LabVIEW; gun; controlling speed青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）11.绪论1.1 研究的目的及意义近年来，在电气传动的领域中，因为直流电机脉宽调速系统具有结构简单、低速性能好、快速响应性能好、效率高、谐波少、电网功率因数高等特点而被广泛的应用在日常生产生活中，而其相应的控制系统在很长一段时间以来一直都采用 51 系列的单片机或复杂的电子线路的控制形式，存在成本高、可靠性差、速度慢、抗干扰能力差等缺点；随着现代电力电子技术的不断快速迅猛发展，从而带动单片机实现的功能也在不断的提高，基于 51 单片机控制的直流电机脉宽调速控制系统不仅可以实现直流脉宽调制控制的智能化，并且具有成本低、抗干扰能力强、通用性强、工作可靠等特点。PWM 直流电机调速控制系统具有很多优点，它不仅具有电路结构简单、所用元器件少、耐用、能大范围调速的特点，而且能灵活控制、能与数字信号兼容通信还具有多样化的控制途径。因其具有这些特点而在工业领域得到了广泛的运用，并且大大的促进了工业化的发展进步，因此学习研究 PWM 直流电机调速系统对我们以后的生活工作具有非常重要的意义。该研究课题利用 LabVIEW 测速并控制 51 单片机产生 PWM 信号来实现对直流电机的调速控制，通过本次设计可以进一步加深我们对过去所学理论知识的进一步理解及应用，同时对我们以后的工作学习及科学研究能力的培养起到不可缺少的作用。1.2 国内外研究现状及发展趋势近些年，各种各样的新技术得到了快速迅猛的发展，如微型计算机、电气自动化、电子等，智能化、数字化、光电化、大规模集成等这些新型的技术被直流电机调速系统快速应用，这些技术使得直流电机调速朝着高响应速度、高稳定性、高精度、低耗能、低成本方向快速前进。下面简单的介绍直流电机调速的几种具体的方法：其一，早期的直流电机都是由直流电压来直接供电，通常都是通过电机的内阻来改变直流电机的电压降来达到直流电机调速的目的。这一种调速系统容易操作、电路连接简单，并且容易研发制造。但是这种调速方法只能大体粗略的控制电机速度，它的调速精确度并不高；其二，发电机电青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）2动机调速，该系统由电机扩大器、闸流管、电磁放大器等器件构成，这种调速方法的调速性能比较好，弥补了初期调速系统调速不平滑不稳定以及调速精度低下的缺点，为直流电机调速系统的重大跨越式进步做出了贡献。但是由于这个系统中包含的电子元器件、电力设备和连接线路比较庞大复杂，从而造成系统本身的成本较高，系统本身庞大繁杂的缺点。其三，由于第一只晶闸管研发成功并被广泛应用到直流电机调速系统中，直流电机调速技术就取得了重大突破性的进展。这种调速系统较其他几种相比之下调速精度更高，成本更低，系统体积更小，所以在较长一段时间以来作为重要的调速方式。其四，利用汞浆变流器建立调速系统，这种调速系统具有调速响应速度快，调速精度高的优点，从而更进一步提高了系统的调速性能。但是这种调速方式也有较大的弊端，因为这个系统是通过汞浆变流的，汞具有较强的挥发性，所以系统中含有的汞就会挥发出来对操作人员的身体有不好的影响，因此这种方式很不利于推广应用。1.2.1 国外研究现状伴随着各种处理器的出现和快速发展，国外一些国家对直流电动机调速控制系统的研究也在不断的发展和完善，尤其在 20 世纪 80 年代这方面的技术研究取得了重大进步，达到了空前的繁荣。大型直流电动机调速系统大多数都采用晶闸管触发脉冲来实现，科学研究人员对控制算法也作了大量的研究并研究出许多方法，如 I-P 控制器取代 PI 的调节器方法、模糊 PID 算法和自适应 PID 算法还有内模控制的算法等。目前，一些国外电气公司如德国的西门子、日本的三菱、AEG、东芝、美国的 GE、瑞典的 ABB、西屋等，均已经开发出了数字装置，有成熟的标准化、系列化、模块化的应用产品可供选择使用。1.2.2 国内研究现状我国与西方国家相比尽管起步较晚,我国第一只晶闸管成功以后就被迅速应用于直流电动机调速系统中起到了较大的作用，产生较好的作用，这使得我国在直流电机调速领取得了较大的进步。近些年来，我国快速的投入到了 PWM 调速技术领域，PWM 调速技术的研发以及制造取得了较快发展，例如我国的一些高大专院校、科研单位、研究所还有一些相关工业企业都在积极研发基于 PWM 技术的调速装置。青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）31.2.3 存在的技术挑战PWM 调速技术自从出现以来，快速地被应用于直流电机的调速领域当中。并且在其成本、性能方面还有操作方面突出了很大的优势，因而被得到了广泛的应用。主要有异步电机、同步电机两种电机。我们将在下面简单地介绍这两种电机的不用调速方式以及这几种调速方式的优缺点，从而使我们对 PWM 调速技术的理解更加深刻。首先介绍同步电机的调速方式：调频和调极。这两种调速方式都不是很好因为其有较大的弊端：调频调速的方式只能进行小范围的调速而不能够实现大范围的调速，这就使得电机工作电压范围受到很大的局限，不能够满足现代工业生产中对不同功率的设备提供动力的技术要求。另外，调极调速方式很难甚至不能实现平滑调速，调速的稳定性较差；异步电机调速方式主要有两种即交流变频调速和变极调速。交流变频调速是利用晶闸管对三相电压进行变流并输出与正弦波形类似的电压，使得电机获得与正弦波类似的变化的电压，从而达到调速的目的。交流变频调速能够克服变极调速无法平滑调速的缺点，但其缺点是成本较高，设备复杂。变极调速是通过改变电机磁极对数来改变电机转速，因而就能够达到调速目的。变极调速的优点是操作容易、设备简单，但是它的缺点是不能够进行平滑稳定调速。PWM 调速方式调速过程平滑、能够实现大范围调速、调速响应动作快速，克服了交流变频调速和变极调速的缺点，随着 PWM 技术的快速发展，它的应用领域在不断地扩大。1.3 本论文研究主要内容本文在研究单片机控制 PWM 信号调节直流电机转速的基础上，完成上位机与控制器的通讯，建立 PWM 直流电机调速控制系统，主要工作内容如下：（1）直流电机调速系统的硬件模块设计：在分析直流电机调速系统的目的和要求后，提出了系统的硬件设计方案。本系统主要由电源模块、控制模块、驱动模块三部分组成：其中电源模块需要提供+5V 、+12V 的电源，该系统中的 51 单片机和驱动器需要+5V 电源供电，直流电机需要+12V 电源供电；控制模块由 51 单片机来完成，单片机的主要功能是与 LabVIEW 串口通信采集 LabVIEW 发出的数据、发送转速数据、接收数据并发出PWM 脉冲；直流电机的驱动靠 L298N 实现。青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）4（2）对虚拟仪器技术的原理作了说明，研究了 LabVIEW 的开发与功能优势，以及LabVIEW 的数据类型与基本操作以及串口通信技术，对以后研究上位机与控制器的通讯接口设计打下必要的基础。（3）完成对直流电机转速的测量与控制，实现控制器与上位机 LabVIEW 软件的通讯，建立起 LabVIEW 直流电机转速控制系统。青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）52.PWM 脉宽调速原理2.1 直流电机调速原理PWM 技术的原理是利用半导体开关的通断情况来控制直流电压变化，使直流电压随着半导体开