基于单片机的直流调速系统的设计毕业设计

毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 课题名称：课题名称：基于单片机的直流调速控制系统设计 一、课题训练内容一、课题训练内容 (2) 培养学生进行单片机工程开发的能力，制定工作计划和协调组织的能力； (3) 培养学生运用所学知识，选取合适器件，解决实际工程问题的能力； (4) 培养学生设计复杂硬件电路的能力，使用 portel 做图的能力； (5) 培养学生设计模块化软件的能力； (6) 培养学生撰写文档及表格的能力； (7) 培养学生阅读英语文献和翻译的能力。 1. 巩固和加深对模拟电路、数字电路、单片机等基础理论、基本技能的认识与 掌握，了解和熟悉一些基本传感器的工作原理及其使用方法，并对专业前沿 知识有初步认识和关注。 2. 培养学生自主学习、独立思考的能力。 3. 培养学生综合运用基础知识和基本技能进行分析问题和解决实际问题的能 力，将理论与实践结合，并且熟悉专业软件工具的使用方法，如 KEIL 软件 调试方法、Cadence capture 绘原理图和 Cadence Allegro 绘 PCB 的使用方 法 4. 培养学生的设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件编辑、文字表 达、 文献查阅等设计开发能力； 熟悉 Microsoft Office、 Cadence、 KEIL C51， REALVIEWMDK 等专业软件应用以及外文资料的阅读和翻译，使学生初步掌握 1 科学研究的基本方法。 5. 培养学生利用单片机进行应用系统开发的能力，掌握单片机应用系统设计的 一般方法和步骤，达到能够进行单片机系统设计的目的。熟悉和掌握 MCS51 单片机并以此扩展的 STM32F103F 单片机的调试方法以及系统设计，了解无 线数据传输的基本方法和工作原理，及其系统设计流程和设计方法。 6. 使学生树立符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，培养严谨、负责、 实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作 风。 二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、 计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求） (1) 查阅课题相关参考文献、技术资料， 做好备份，以便以后查找。学习设计原 理图和使用 portel； (2) 第四周前上交毕业设计开题报告一份。开题报告内容与学校模板要求一致， 字数不少于 2000 字；经指导教师检查合格后才能进行后续工作； (3) 完成原理设计，合理选择模块和元器件，绘制原理图。完成硬件电路板的绘 制和软件的编写； (4) 完成毕业设计论文， 字数不少于 15000 字。 论文应包括中文摘要、 英文摘要、 目录、正文、参考文献、附录（可无） 、致谢 7 个部分；具体每一部分的格 式严格按照学校教务处模板的规定。 三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料 1 1、主要设计功能：、主要设计功能： (1) 使单片机可以控制直流电机的正转 (2) 使单片机可以控制直流电机的反转 (3) 使单片机可以控制直流电机的正转时的加速和减速 (4) 使单片机可以控制直流电机的反转时的加速和减速 2 2 2、主要参考资料、主要参考资料 1 康华光.模拟电子技术基础 （第 4 版） M. 北京： 高等教育出版社， 2004.5. 2 康华光.数字电子技术基础 （第 4 版） M. 北京： 高等教育出版社， 2004.5. 3 刘和平.单片机 C 语言编译器及其应用基于 PIC18F 系列 M. 北京： 北 京航空航天大学出版社，2007.4. 4 陈伯时.电力传动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，2004.6. 5 张振利.数字式直流调速装置的设计N.江西电力职业技术学院学报， 2004. 6 雷小平.单片机实现的双闭环数字直流调速系统N.无线点通讯技术， 2000. 7 罗宁.浅谈单片机在直流拖动系统中的应用N.水利电力机械，2000. 8 张兴华.交直流传动技术实训教材M. 北京：科学出版社,2003. 9 范正翘.电力传动与自动化控制系统M.北京航空航天大学出版社,2003. 3 四、毕业设计（论文）进度表四、毕业设计（论文）进度表 武汉科技学院毕业设计（论文）进度表武汉科技学院毕业设计（论文）进度表 序 号 起止日期计划完成内容实际完成情况 检查人签名 检查日期 112.252.25收集参考资料 22.25-3.6 阅读参考资料， 撰写开题报告 设计总体工程， 制定工作计划 选择单片机等 器件，准备进行 硬件设计 设计硬件电路， 并使用 portel 作图 对系统进行模 块化软件设计 整理设计资料 33.7-3.23 43.24-4.04 54.05-4.12 64.13-4.18 74.19-5.03 8 9 5.12-5.26 5.12-5.26 对整体设计做 模拟测试 撰写论文 4 注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。 2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字 体和字号按照武汉科技学院毕业设计（论文）规范执行。 武汉科技学院毕业设计（论文）开题报告武汉科技学院毕业设计（论文）开题报告 课题名称基于单片机的直流调速控制系统设计 院系名称机械工程与自动化学院专业自动化 班级自 072学生姓名郭正隆 5 1 1课题研究的意义课题研究的意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电 动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性 能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究 直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。 随着单片机的发展，数字化直流 PWM 调速系统在工业上得到了广泛的应用，控 制方法也日益成熟。它对单片机的要求是：具有足够快的速度；有 PWM 口，用于自动 产生 PWM 波；有捕捉功能，用于测频；有A/D 转换器、用来对电动机的输出转速、输 出电压和电流的模拟量进行模/数转换； 有各种同步串行接口、 足够的内部ROM和RAM， 以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。因此该实验中选用 Cygnal 公司的单片机 C8051F020。 通过设计基于 C8051F020 单片机的直流 PWM 调速系统并调试得出结论， 在掌握 C8051F020 的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI 控制器的理解，对运动控制 的相关知识进行巩固。 2 2所属领域的现状，及发展状况：所属领域的现状，及发展状况： 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。 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。 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 6 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。 3.3. 课题的研究内容课题的研究内容 本文设计是一套基于 PIC 单片机的直流电机控制器，作为其配套的试验装置。论文 根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的 软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以 PIC16F458 单 片机为核心的硬件构成，对键盘电路、测量电路、显示电路等作了详细阐述;软件部分采 用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法;实现了对 直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用PIC 系列芯 片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系 统性能、满足更多应用场合的需要。 4.4. 课题的研究方法及步骤课题的研究方法及步骤： （1）深入研究国内前几代的相应产品的工作原理与国外发展现状，为我们的设计作参 考和借鉴 （2）进行总体设计，并根据要求选取合适的元器件 （3）学习设计硬件电路和使用 portel 绘制原理图 （4）大量阅读和学习与设计相关的软件知识，便于以后软件编程 （5）熟悉相关的软件，分别进行硬件部分的设计和软件部分的设计 5.5.参考文献：参考文献： 1 王兆安，黄俊.电力电子技术（第 4 版）M.北京：机械工业出版社，2000. 2 刘和平.单片机 C 语言编译器及其应用基于 PIC18F 系列 M. 北京：北京航空 航天大学出版社，2007.4. 3 刘和平等.PIC18Fxxx 单片机程序设计及应用 M. 北京：北京航空航天大学出版 社，2005.2. 4 刘和平等.PIC18Fxxx 单片机原理及接口程序设计 M. 北京： 北京航空航天大学出 版社，2004.8. 7 5 陈伯时. 电力传动自动控制系统M. 北京：机械工业出版社，2004.6. 6 张振利.数字式直流调速装置的设计N.江西电力职业技术学院学报，2004. 7 雷小平.单片机实现的双闭环数字直流调速系统N.无线点通讯技术，2000. 8 罗宁.浅谈单片机在直流拖动系统中的应用N.水利电力机械，2000. 9 张兴华.交直流传动技术实训教材M. 北京：科学出版社,2003. 10 范正翘.电力传动与自动化控制系统M.北京航空航天大学出版社,2003. 指导教师签名： 年月日 8 摘要 本文设计是一套基于 PIC 单片机的直流电机控制器，作为其配套的试验 装置。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的 控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设 计，然后介绍了以PIC16F458 单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、测量 电路、显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各 个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法 ;实现了对直流电动机转动 参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。利用PIC 系列芯片进 行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、 增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软 件设计等多方面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高 和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。 关键词：直流电机、PIC 单片机、速度控制 ABSTRACT This design is a system of DC motor multiple speeds Based on PIC MCU is designed，as its necessary test equipment. It finished the total Project design of system and model selection .The hard ware and software design of the system according to the Preceding solutions are discussed detailed. For the hardware Part after a dissertation on the whole design，the core hardware of the control system is the PIC MCU，the Paper introduced the details of some hardware Problem， including input circuit of keyboard， measure circuit，display circuit and so on .The method of software Planning for it is also discussed. 9 For the software Part，with the Introduction of modular design concept some Procedure flow charts of main Program subroutine are offered. The Paper designs the software which achieves the functions， such as install Parameters， download Parameters， startup， stop accelerate and decelerate. This new family of PIC enables cost-effective design of controllers for DC motors which can fulfill more conditions， consisting of fewer system component， lower system cost and increased Performances. Aiming at the characteristic of bed environment and serious disturbance，many kinds of software and hardware technology are applied to improve systematic anti-interference ability，which comprehensively improve systematic dependability and Practicability. It has been Proved by experiments that this system can make the high Precise and multiple speed motor control come true. Stepping out the Performance index is realize Now this system has been Put into experiment. Keywords ：DC Motor、PICMCU、Speeds Control 10 1 绪论. 13 1.1 引言. 13 1.2 直流电机调速系统的发展 . 14 1.3 直流电机基本调速方法 . 15 1.4 PWM 调速方案的优越性. 17 2 系统方案设计. 18 2.1 直流电机的能量转换和特性曲线 . 18 2.2 系统总体方案 . 20 2.3 系统器件型号选择 . 20 2.4 单片机选型 . 22 2.5 本章小结 . 27 3 硬件电路设计. 27 3.1 引言. 27 3.2 H 桥电路 PWM 控制电路. 28 3.3 放大电路的连接电路. 30 3.4 键盘输入电路 . 30 3.5 电源电路 . 31 3.6 复位和时钟电路 . 31 3.7 显示电路 . 32 3.8 转速测量电路设计. 33 3.9 本章小结 . 35 4 系统软件设计 . 35 11 4.1 引言 . 35 4.2 系统应用程序设计. 36 4.3 直流电机转速控制器的软件设计. 36 4.4 本章小结 . 48 5 结论 . 48 5.1 工作总结 . 48 12 1 1 绪论绪论 1.1 引言 目前，自动化控制系统在各行各业都得到了广泛的应用和发展，其中，直流 调速系统更是在现代化生产中起着重要作用。无论是工农业生产、国防、医疗卫 生、交通运输、航天航空、还是在日常生活中的家用电器都大量的使用了电气传 动系统，车辆、电梯、机床、造纸机械等电气传动系统都有调速要求。为了满足 运行、生产、工艺的要求往往需要进行调速控制:为了减少运行损耗，节约电能 也需要对电机进行调速。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大部分 组成。 1957 年，晶闸管问世，到 20 世纪 60 年代，已产生出成套的晶闸管整流装 置，使变流技术产生了根本性的变革。同时，控制电路实现高集成化、小型化、 高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应 用范围不断扩大。直流调速技术走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆 脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 直流电机脉冲宽度调制系统 PWM 产生于 20 世纪 70 年代中期， 最早用于不可 逆、小功率驱动。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高和电路技术的发展， 同时又因出现了宽调速永磁直流电机。他们之间的结合促使 PWM 技术高速发展。 为设计高性能直流控制系统提供了基础。 本文利用 PIC 单片机为核心,研究设计了一套基于 PIC 单片机的直流电机 PWM 调速系统。 从直流调速系统原理出发， 逐步建立了单闭环直流 PWM 调速系统 的数学模型。 用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控 制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控 制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。在硬件方面充 分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施， 实现对转速闭环调速系统的控制。在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编 码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以驱动芯片与一些外围电 路。通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效 13 果。 1.2 直流电机调速系统的发展 直流电气传动系统中需要有专门的可控直流电源， 常用的可控直流电源有以 下几种:第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供 电， 通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。 这种方法简单易行， 设备制造方便， 价格低廉。但缺点是效率低、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。 第二，三十年代末，出现了发电机电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放 大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调 速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等。特别是当电动机 减速时， 可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网， 这样， 一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发 电机电动机调速系统的主要缺点是需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，因而体积设备较多、体积大、费用高、效率低、安装需 要地基、运行有噪声、维修困难等。第三，自出现汞弧变流器后，利用汞弧变流 器代替上述发电机电动机系统，使调速性能指标又进一步提高。特别是它的系 统快速响应性是发电机电动机系统不能比拟的。 但是汞弧变流器仍存在一些缺 点:维修还是不太方便， 特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四， 1957 年，世界上出现了第一只晶闸管，与其它变流元件相比，晶闸管具有许多 独特的优越性， 因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力。由于它具有 体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电， 不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高， 而且在技术性能上也显示出 很大的优越性。 晶闸管变流装置的放大倍数在 10000 以上， 比机组(放大倍数 10) 高 1000 倍，比汞弧变流器(1000)高 10 倍;在快速响应性上，机组是秒级，而晶 闸管变流装置为毫秒级。因此，目前在直流调速系统中，除某些特大容量的设备 而且供电电路容量较小的情况下，仍有采用机组供电、晶闸管励磁系统以外，几 乎绝大部分都已改用晶闸管相控整流供电了。 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 14 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。 1.3 直流电机基本调速方法 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。 直流电动机调速系统最早采用 恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种 方法简单易行，设备制造方便，价格低廉；但缺点是效率低，机械特性软，不能 得到较宽和平滑的调速性能。 该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场 合。30 年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得 到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的范围，较小的转速变化率和调速性能。 但此方法的主要缺点是系统重量大，占地多，效率低及维修困难。近年来，随着 电力电子的迅速发展， 有晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统以取代了发电 机-电动机调速系统， 它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。 特别是 大规模集成电路技术以及计算机的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度，动 态性能，可靠性有了更大的提高。电力电子技术中的 IGBT 等大功率器件的发展 取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。 直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为 n U a -I aRa（1） C E 式U a -电枢供电电压（V） Ia-电枢电流（A） -励磁磁通（Wb) R -电枢回路总电阻（） C E -电势系数，CE 体数。 15 pN ，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导 60a 由式 1 可以看出，式中U a R a 三个参量都可以成为变量，只要改变其中 一个参量，就可以改变电动机转速，所以直流电动机有三种调速方法： （1）改变电枢回路总电阻R （2）改变电枢供电电压U （3）改变励磁磁通。 （4）采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 本设计采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 其方法就是相当于直流电电压降低，功率及转速降低。脉宽调制（PWM）是 调整脉冲的宽度而不是频率。 “脉冲宽了”指的是高电平时间长了，低电平时间 短了，是通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值（即占空比)来控制 电机速度，这种方法称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）简称 PWM。 即供电电压是宽度可调的脉冲电压，当脉冲最宽时，相当于直流电，功率最大， 转速最高。 脉冲宽度减脉冲频率并没有变。 脉宽调制并不是直接调整电机的速度， 而是改变电机的功率或扭矩。扭矩大了，换向加快，转速就提高了。 调速原理如图 1 所示。通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压。改变占 空比的方法有 3 种： （1）定宽调频法，这种方法是保持t 1 不变，只改变t 2 ，这样周期（即频率）也 改变； a a （2）调宽调频法，保持t 2 不变，而改变t 1 ，这样也使周期（即频率）改变； （3）定频调宽法，这种方法是使周期（即频率）不变，而同时改变t 1 和t 2 。 由于前二种方法是改变周期（或频率） ，当控制频率与系统的固有频率接近 时， 将会引起振荡， 用的比较少， 因此本系统用的是定频调宽法。 在脉冲作用下， 当电机通电时，速度增加。电机断电时，转速逐渐减小。只有按一定规律，改变 通电时间，即可实现对转速的控制。 16 图 1 1.4 PWM 调速方案的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后， 就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关 控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，PWM 的 H 型属于调压调 速，PWM 的 H 桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可 控整流来实现直流电机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式 PWM 变换 器。与 V-M 系统相比在很多方面有较大的优越性： 1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:20000左右。 4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰 能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关 损耗也不大，因而装置效率高。 6）直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。 由于由以上优点直流 PWM 系统应用日益广泛， 特别在中、小容量的高动态性 能中。已完全取代了 V-M 系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机 都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。 17 2 2 系统方案设计系统方案设计 2.1 直流电机的能量转换和特性曲线 电能Pel经过直流电机，产生损耗P J ，剩下的转化为机械能Pmech（如图 2.1） 电机的功率守恒公式：P el P mech P J 详细：UI 30000 nMR I2 在这能量转化过程中，有两个特性参数是至关重要的。 速度常数k n ：指速度 n 和线圈感应电压之间的关系： 公式如下:n k n U ind 转矩常数k M ：联系机械转矩 M 和电流 I 之间的关系： 公式如下:M k MI 速度常数k n 和转矩常数k M 有如下关系: k n k M 30000 用转矩 M 和转矩常数k M 来表示电流，可得如下关系： M M nMRU kk M 30000 M 2 考虑到k n 和k M 之间的关系，公式进化为: 18 n k nU 30000 R M k M 上式便是直流电机的转速、转矩、电阻、转矩常数和速度常数之间的关系。 转矩单位是 N.m；电流单位是 A；速度单位是 rpm；电压单位是 V。 转速 n-转矩 M 曲线：表述的是在一恒定电压 U 下电机的机械表现。 两点法作图:空载转速 n（电机在额定电压、空载的情况下的转速）和堵转转矩 M H(电机在堵转条件下的转矩值)。 空载转速与堵转转矩将随着给定电压的改变而成线性关系。 空载转速与电压有如下关系:n 0 k n U 如图 2.2 所示。转速 n-转矩 M 曲线的斜率，是一项体现电机性能的重参数，与 电压无关。 有如下关系: nn 0 MM H 直流电机的速度与转矩间的关系可用下式表示: n n0 n M M 图 2.2 19 2.2 系统总体方案 系统总体方案如图 2.3（系统功能要求和技术指标见 1.3） 图 2.3 直流电机调速系统结构图 PIC 单片机为本系统的控制核心，通过电脑设置下载到单片机。由单片机输 出二进制控制量， 经 D/A 转换电路将对应模拟电压送到直流伺服放大器的设定值 输入端。 放大器根据输入的模拟电压输出对应的电压来控制直流电机的转速。直 流电机同轴的光电编码器 E 输出 A、B 两路方波信号送到整形电路，通过整形电 路送到单片机用于测量转速。 不断比较设定值和实际值，根据比较获得的误差调 节放大器的输出电压。 显示部分显示各段设定的时间值、 转速值和测量的转速值； 单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。 2.3 系统器件型号选择 2.3.1 光电数字编码器型号选择 maxon 集团的数字 MR，参数如下表 旋转一周计数 通道数 最高工作频率 VCC 输出信号 20 1024 3 320Hz SV 士 5% TTL 兼容 零位脉冲宽度(额定) 工作温度范围 编码盘惯量 2.3.2 放大器芯片型号选择 900e 一 25一 85 1.7gcm2 采用专用驱动芯片 IR2111 对 IRF530 进行栅极驱动。IR2111 内置自举工作 单元，栅极驱动电压范围宽，单通道施密斯逻辑输入，输入与 TTL 和 CMOS 电平 兼容，高端输出与输入相同，低端输出经死区时间调整后与输入反向，可同时驱 动同一桥臂上的两只功 MOSFET。 IR2111 的悬浮自举技术是指，不管功率开关器件源极电压多少，通过自举 电容和自举二极管的工作， 总能保证待驱动功率器件的栅极与源极之间的电压为 10-20V，即能驱动该功率器件正常工作。IR2111 内置的自举工作工作单元本质 上是电荷泵电路，电荷泵电路的简单自举原理介绍如下： 图 4 自举原理 如图所示，电容的 a 端通过二极管接V cc ，电容 C 的 b 端接幅值V in 的 方波。当 b 点点位为 O 时，D 到通，V cc 开始对电容 C 充电，直到节点的电位 达到V cc （假设二极管为理想二极管） ；当点电位上升至高电平V in 时，因为 电容两端电压不能突变，此时点电位上升为V in V cc ，所以，点电压就是一 个方波，最大值是V in V cc ，最小值是V cc ，可见输出端电压平均值将高于V cc ， 其波形就跟随输入波形的变化而变化，但始终维持一个稳定的差值，实现自举。 21 2.4 单片机选型 目前国内在使用单片机作控制系统的微处理器时多选择 51系列或 Motorola 系列单片机， 而本系统选用的 PIC 系列单片机在多个方面较其它系列单片机更有 优越性。下面对 PIC 单片机作较详细介绍。 2.4.lPIC 单片机与其他单片机的比较 当今世界上涌现出各种各样的单片机，目前应用较广的主要有美国 Intel 公司开发和生产的 MCS 一 51，MCS 一 96 系列、台湾 ICSI 公司的 8051 系列、美 国 Motorola 公司的 MC68 系列和美国 Microchip 公司的 PIC 系列等， 其中各个系 列的单片机都有其各自的优点，与其它系列相比，美国 Microchip 公司近几年推 出的系列 PIC 单片机， 它的最大优点表现在引脚少、 功能强、 可直接带 LED 负载: 具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护;外围配置简单、明晰、提高了整 机的可靠性;并且具有较强的抗干扰性，大大提高了抵御外界的电磁干扰和本机 控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力，以下 分几个方面通过与其它类型单片机的比较来说明它的优越之处。 (l)哈佛总线结构 PIC 系列单片机在架构上采用了与众不同的设计手法，PIC 系列单片机不仅 采用了哈佛体系结构(也就是两种存储器位于不同的逻辑空间里，这种架构的微 控制器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为哈佛体系结构)， 而且还采用了哈佛总线结构。在 PIC 系列单片机中采用的这种哈佛总线结构，就 是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度，这样做的好处 是，便于实现指令提取的“流水作业” ，也就是在执行一条指令的同时对下一条 指令进行取指令操作;便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提 高 CPU 执行指令的速度。在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的(即 分时复用)Motorola 公司开发的 MC68HC05/08 系列单片机，其程序存储器和数据 存储器统一编址(也就是两种存储器位于同一个逻辑空间里，这种架构的微控制 器、微处理器、数字信号处理器或者微型计算机系统，称为普林斯顿体系结构)， 早期在国内市场上最流行的单片机产品Intel开发生产的MCS一51 系列单片机， 22 其程序存储器和数据存储器虽然独立编址;但是它们与 CPU 之间传递信息必须共 用同一条总线， 仍然摆脱不了瓶颈效应的制约，于是影响到 CPU 运行速度的进一 步提高。见图 2.6。 (2)指令单字节化 因为数据总线和指令总线是分离的，并且采用了不同的宽度，所以程序器 ROM 和数据存储器 RAM 的寻址空间(即地址编码空间)是互相独立的，而且存储器 度也不同。 这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速实现全部指令 的单字节化。 在此所说的字节， 特指 PIC 单片机的指令字节， 是常说的 8 位字节。 例如， PIC12C50X/PIC16CSX系 列 单 片 机 的 指 令 字 节12位 ， PIC16C6X/PIC16C7X/PIC16CSX系列的指令字节为14位;PIC18FXXX系列的字节为 16 位。它们的数据存储器全为8 位宽。而MCS 一 51 系列单片机的 ROM 和宽度都 是 8 位，指令长度从一个字节(8 位)到 3 个字节长短不一。另外，PIC 微控制器的取指令和执行指令采用指令流水线结构， 当一条指令被执行时允一条 指令同时被取出，使得在每个时钟周期内可以获得的最高效率。其指令线结构见 图 2.7。 23 (3)精简指令集(RISC)技术 PIC 系列单片机的指令系统(就是该单片机所能识别的全部指令的集合，叫 做指令系统或者指令集)只有 35 条指令。PIC 系列单片机不仅全部指令均为单字 节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。这给指令的学 习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流都 带来极大的便利，真可谓“易学好用” 。而 MCS 一 51 单片机的指令系统共有 In 条指令，MC68HCOS 单片机的指令系统共有 89 条指令。 (4)寻址方式简单 寻址方式就是寻找操作数的方法。PIC 系列单片机只有 4 种寻址方式(即寄 存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址)，容易掌握，而MCS 一 51 单片 机则有 7 种寻址方式，68HC05 单片机有 6 种寻址方式。 (5)代码压缩率高 IKB 的存储器空间，对于 PIC 系列单片机则能够存放的指令条数可达 1024 条。对于像 MCS 一 51 这样的单片机，大约只能存放 600 条指令，而与几种典型 的单片机相比，PIC 系列单片机是一种最节省程序存储器空间的单片机。 (6)寻址空间设计简洁 PIC 系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址(或地址 编码)空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到大家的欢迎。而 MC68HC05 和 MC68HCn 单片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、 堆栈区、 数据区和 1/0 端口所占用的地址空间作精心安排，这样给开发人员在设 计上带来很大的麻烦。 24 (7)外接电路简洁 与 MCS 一 51 系列及其它单片机相比，PIC 单片机内集成了上电复位电路、 1/0 引脚上拉电路、看门狗定时器，尤其是集成了 ADC 模块和 CCP 模块(输入捕 捉/输出比较/脉宽调制)，可以最大程度的减少和免用外接器件，以便实现“纯 单片”化，这样，不仅便于开发，而且还可以节省电路板空间和制造成本。 (8)存储器容量大 PIC18F458 系列单片机具有多达 1536 字节的数据存储器(RAM)，多达 256 的 EEPROM 数据存储器， 另外还有多达 SKxl4 字节的可多次重复写入的闪速 FLASH 程序存储器。而MCS 一 51 单片机只有 4K 字节的 EEPROM。128 字节 RAM 以及 64K 的外部数据、程序存储器空间，无 FLASH 程序存储器。 (9)定时器数目多、功能全 PIC 系列单片机具有 3 个定时器:带有 8 位预分频器的 8 位定时器/计数器 TMR0;带有预分频器的 16 位定时器/计数器 TMR1，并且在休眠期间外部晶振/时 钟可以工作;以及带有 8 位周期寄存器、 预分频器和后分频器的 8 位定时器/计数 器 TMR3。而 MCS 一 51 只有两个 16 位的定时器/计数器。 (10)独特具有的功能 PIC 系列单片机具有两个捕获(Capture)、比较(Compare)、脉宽调制(PWM) 模式、多通道 10 位 A/D 转换器、带有 SPI 和 IZC 的同步串行端口 SSP、带有 9 位地址检测的同步异步接收发送器USART(USART/SCI)、8 位宽并行从属端口 (PSP)、有节电锁定复位的节电检测电路等;而 MCS 一 51 系列单片机没有。 2.4.2 PIC18F458 单片机的其它优点 (1)CPU 的性能特点 它有 16 位指令，8 位宽数据通道，高达 2MB 的程序存储器，4kB 的数据存 储器，高达 10MIPS 的执行速度。DC-40MHz 时钟输入，4-10MHz 带 PLL 锁相环有 源晶振/时钟输入；带优先级的中断和 88单周期硬件乘法器。 (2)外围功能模块特性 捕捉/比较/脉宽调制（PWM） （CCP）模块；CCP 引脚配置如下：捕捉输入:16 位，最大分辨率为 6.25ns；比较单元：16 位，最大分辨率为 100ns；脉宽调制 25 （PWM）输出: 分辨率为 1-10 位；最高 PWM 频率：88 位分辨率时为 156kHz，10 位分辨率时为 39kHz。增强型CCP 模块具有标准型 CCP 模块的所有特性，但它在 先进的电机控制时还有如下特性：1，2，4 路的 PWM 输出；可选择 PWM 的极性； 可编程的 PWM 死区时间。 (3)运行速度高 PIC18F458 由于采用了哈佛总线结构，以及指令的读取和执行采用了流水作 业方式， 使得 PIC18F458 单片机运行速度大大提高，远远高于其它相同档次的单 片机。 (4)功耗低 PIC18F458 单片机的功率消耗极低， 是目前世界上低的单片机之一。在 8MHz 时钟下工作时耗电不超过 mA，在睡眠模式下耗电可以低到 1mA 以下。 (5)驱动能力强 I/0 端口驱动负载的能力较强，每个 I/O 引脚吸人和输出电流的最大值可分 别达到 2mA 和 20mA，能够直接驱动发光二极管 LED、 光电祸合器或者微型继电器 等。 (6)独特的 C 语言开发环境 对于 PIC18F458 单片机，Microchip 公司提供了“C 语言编译程序” ，这样用 C 语言这样高级语言来进行程序设计，可大大的提高了工作效率。与一般的C 语 言版本如 Turbo C 相比，作为单片机的开发语言，PICC 增加了针对 PIC 单片机 硬件本身的操作，如端口、引脚的输入输出、寄存器的位操作等。 (7)产品系列齐全、拥有高性能的高端产品 另外，必须说明的是，PIC 系列单片机品种齐全、根据其指令的位数可分为 初级产品、中级产品和高级产品，在以后的开发过程中，可根据具体需要选择单 片机的型号。其高级产品一 16 位指令字系列的 PIC17CXXX 和 PIC18CXXX。16 位 指令字系列是 8 位单片机中运行速度最快的， 它具备一个指令周期内完成 8 位二 进制乘法的能力，可以在一些需要高速运算的应用场合取代 DSP 数字信号处理 器。再加上 PIC17CXXX 还具有丰富的 I/0 控制功能，并可以外接扩展 EPROM 和 RAM，使它成为目前 8 位单片机中性能最高的品种之一，可被广泛的应用于高中 档的电子设备中。而 PIC18CXXX 系列是一款高性能、全静态设计、内带 A/D 转换 26 器的 CMOS16 位单片