毕业论文-单片机控制直流电动机调速系统

1、 PAGE 35 毕 业 论 文题目 单片机控制直流电动机调速系统 姓 名 学 号 系（院） 班 级 指导教师 职 称 摘要本设计以MCS-51系列单片机为核心控制PWM信号实现对直流电动机的转速及方向进行控制的方式，系统采用专门的芯片对PWM信号进行控制。并且阐述了PWM信号的原理以及如何利用软件编程对PWM信号的占空比进行控制调节，从而使得输入信号波形产生改变。本系统的调速功率放大电路的驱动模块采用IR2110芯片为直流电动机的转速调速，在主电路中与延时电路相结合完成对于直流电动机的控制。为了对电动机的转速进行测量，经过滤波电路后将测量值输出到A/D转换器，最后作为反馈值输入到单片机进行P

2、I运算，实现对直流电动机的转速控制。在软件上则介绍了PI运算程序，初始化程序的编写逻辑以及程序的实现。关键词：MCS-51单片机 PWM信号 直流电动机调速 PI运算 目录第一章 绪论1.1 课题背景.51.2 设计任务.51.3方案的选择.61.3.1 目前直流电动机的控制方法.61.3.2 PWM调速方法的优点61.4 选题的意义.7第二章 直流电动机2.1 直流电动机的优点以及应用领域.82.1.1 直流电动机的优点.82.1.2 应用领域.82.2 直流电动机的分类.82.2.1 无刷直流电动机.92.2.3 有刷直流电动机92.3 直流电动机的发展历史10第三章 单片机3.1 单片机

3、的优点.113.2单片机的应用领域;.123.3 单片机的分类.;.123.3.1 通用型单片机.;.123.3.2总线型单片机;.133.4 单片机的发展历史;.13第四章 控制系统的构成4.1 硬件设计总体框图.154.1.1 80C51单片机的基本组成及介绍.164.1.2 80C51单片机的cpu及部分部件的介绍.164.2 单片机系统中所用其他芯片选型.174.2.1 地址锁存器.174.2.2 程序存储器.184.2.3 数据存储器.184.2.4 单片机扩展电路分析.194.3 PWM信号发生电路设计194.3.1 PWM 的基本原理.194.3.1 PWM信号发生电路设计194

4、.3.2 PWM信号发生电路主要芯片工作原理.204.4 主电路设计.234.4.1 主电路.244.4.2 系统总体电路图.264.4.3测速发电机.274.4.4 滤波电路.284.4.5 芯片的选型.284.5 系统软件的设计.294.5.1 PI转速调节器原理图以及参数的测算.304.5.2系统中的部分程序设计.30第五章 软件调试及仿真5.1 软件的调试.315.2 系统的仿真.31谢辞.34第一章 绪论1.1课题背景随着经济于技术的发展与进步，自动化控制系统在生产生活中得到了广泛的应用于发展，而自动化直流调速系统在现代话的生产中起着主要的作用，大到航天航空，小到普通的电机控制，无论

5、是从工业，农业，服务业，还是日常的生活中来看都是大量的使用着各式各样的电气传动系统，很多自动化控制系统都有这或多或少的调速有需求比如：车辆、工业设备、农业上的一些辅助工具、电梯等等。为了满足一些设备的生产要求则需要对一些设备进行调速，这样可以减少功能损耗，节约电能。另一方面直流电动机具有良好的调速性能以及较大的启动转矩和过载能力等许多优点。为此本文设计了一个直流电动机的调速系统，对直流电动机的方向以及电机转速进行良好的控制。1.2 设计任务设计是以MCS-52单片机为控制核心，组成控制单元设计出控制系统，通过按钮实现对直流电动机的转速和转动方向进行控制。通过本课题，一方面我对于前期所学到的知识

6、进行了一次总结，另外一方面对于本论文用到但是以前没有学到的知识点以查阅资料的方法进行了学习，让我回顾了单片机的基本知识，对于单片机的知识点进行了巩固，对于单片机的外围控制电路的设计进行了系统的回顾；另外一方面，通过设计外围直流电动机控制系统、硬件电路、控制程序和相应的电路图培养了自己的动手能力和学习能力，为今后的工作和自己以后的进一步深入发展打下了良好的基础。1.3 方案的选择直流电动机有较大的过载转矩和过载能强、良好的调速性能等一系列的优点，所以直流电动机在现在生活的各个方面有着广泛的应用，并有继续扩散的趋势，而直流电动机的调速控制系统是电机应用的一个重要技术保障，所以在很多行业有着广泛的应

7、用1.3.1目前直流电动机的控制方法：改变电枢回路总电阻Ra。改变电枢供电电压。改变励磁磁通。脉冲宽度调制。目前应用最广泛的一种控制方式是脉冲宽度调制即Pulse width modulation简称PWM（以下简称PWM）本论文便采用此种方法。1.3.2 PWM调速方法的优点这种调速方法这种调速方法具有抗噪能力强、节约空间、经济性能高而且其开关频率高、动态性能优良、低速运行稳定、效率高等优点，另外PWM系统非常用以在单片机系统中实现，而且运行速度快、精度高、硬件简单、所以具有良好的发展以及光辉的前景。除此之外PWM调速方法还具有主电线路简单，需用的功率器件少，电流容易连续，谐波少，电极损耗及

8、发热都较小，稳态精度高，调整范围宽等优点。所以本设计采用PWM系统来对直流电动机进行控制，主要用单片机产生PWM信号来控制直流电动机的转速。PWM调速方法相当于将直流电电压降低，功率及转速降低，即调整脉宽的宽度而不是频率，将高电平时间延长，低电平时间缩短。通过改变电机电枢电压接通时间和通电周期的比值来控制电机速度。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，转速提高。通过控制脉冲占空比来改变电机的电枢电压，从而实现对电动机的转速的控制。其实PWM控制的基本原理早就提出，但是受制于电子

9、器件发展水平的制约，在上世纪 八十年代之前一直都为实现，直到八十年代后，随着电子器件的迅速发展，PWM控制技术才得到应用，到目前已经出现了多种的PWM控制技术。本文便是以8051单片机为核心，通过电片剂控制，C语言编程实现对电动机的有效控制。1.4 选题的意义从直流电动机的优点来看，它具有良好的启动，制动性能以及优异的大范围平滑调速，所以直流电动机在很多领域得到了广泛的应用。而传统的直流电动机控制系统一般采用模拟元件，这中控制系统可以在一定程度上满足一定的生产要求，但是因为其元器件易老化、易受外界影响而且线路复杂、通用性差所以在运行中可靠性得不到保障。目前随着科技的发展，尤其是电子技术的飞速发

10、展，直流电动机调速系统的数字化已经走向实用化，特别是随着单片机技术的应用，促使直流电动机模拟化调速向数字化转变，使直流电动机的调速进入了一个全新的阶段，高可靠性、智能化成为一个发展的趋势。第二章 直流电动机直流电动机由定子和转子两个主要的部分构成（如图1.1）。直流电动机运行时不动的是定子，定子的主要作用是产生磁场，由座机和换向机、盖端轴承、电刷和主磁极等装置组成；运行时转动的是转子部分，由是直流转轴、电钮铁心、电钮绕组、转向器、风扇组成。电动机进行能量转换的枢纽，主要的作用是产生感应电动势和电磁转矩，平常又称为电钮。2.1 直流电动机的优点以及应用领域2.1.1 直流电动机的优点（1）调速性

11、能好，可调范围广，易于平滑调节。（2）启动、制动转矩大，易于快速启动、停车。（3）易于控制。2.12 应用领域（1）轧钢机、电气机车等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、电动车等2.2直流电动机的分类直流电动机按照其结构及工作原理可以分为：无刷直流电动机和有刷直流电动机2.2.1无刷直流电动机无刷直流电动机是将普通直流电动机的定子与转子进行了互换。其转子为永久磁铁产生气隙磁通：定子为电枢，有多相绕组组成。在结构上，它与永磁同步电动机类似。无刷直流电动机的定子结构与普通的同步电动机或感应电动机相同，在铁芯中嵌入多相绕组，绕组可以接成星型或者三角形，并分别与逆变器的各功率管相

12、连，以便进行合理换相。转子多采用钐钻或钕铁蹦等高矫顽力、高剩磁密度的稀土材料，由于磁极中磁性材料所放位置的不同，可以分为表面式磁极、嵌入式磁极和环形磁极。由于电动机本体为永磁电机，所以习惯上吧无刷直流电动机也叫做永磁无刷直流电动机。2.2.2 有刷直流电动机有刷直流电动机按照材料可划分为：永磁直流电动机和电磁直流电动机。永磁直流电动机一般采用稀土永磁、铁氧体永磁、铝镍钴永磁等永磁体。其中稀土永磁直流电动机体积小性能好，但是价格昂贵主要应用于航天、井下仪器、计算机等；铁氧体永磁直流电动机价格便宜，性能良好，广泛应用于家用电器、汽车、玩具、电动工具等领域；铝镍钴永磁直流电动机，需要消耗大量的贵金属

13、，价格较高，但是对高温的适应性良好，用于环境温度较高或对电动机的温度稳定性要求较高的场所。电磁直流电动机分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。串励直流电动机是将电流串联、分流，励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了是励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励电动机，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上来讲与他励直流电动机相同。他励直流电动机的励

14、磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同时称为积复励。若是两个磁通势方向相反，则称为差复励。2.3 直流电动机的发展历史直流电动机也可称为电动马达，1821年第一台可将电能转化为机械能量的电动马达由法拉第发明。法拉第的原型设计后来经过迅速改良到了1880年代已经成为主要的电力机械能转换装置，后来由于交流电的发展，而发明出了感应式与同步式的马达，直流马达的重要性由之降低。到了1960年，由于SCR（单相可控硅技术）的发明、磁铁材料、碳刷、绝缘材

15、料的改良，以及控制技术的改良，和工业自动化的发展，直流马达再次遇到了发展的契机，到了1980年直流伺服驱动系统成为自动化工业与精密加工的关键技术。第三章 单片机单片机又称为微控制器，它的功能并不是完成某一逻辑功能，而是将一个计算系统集成到一个芯片上（如图3.1）。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只是缺少了I/O设备。也可以概括的讲：一块芯片就是一台计算机。此外，单片机还具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通讯系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如，工厂流水线上的职

16、能管化管理，电梯智能化控制，电气的智能化控制等等，此外，单片机控制系统也可与计算机联网构成二级控制系统等。图2.1 单片机3.1 单片机的优点单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、拓展灵活、微型化和使用方便等特点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可以实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量，采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更是强大，例如（精密测量设备）。单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的，同时内部的布线也是很短其抗噪性优于一般的CUP。单片机的

17、程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，所以可靠性较高。为了满足对对象控制的要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件：分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。为了满足广泛使用便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V，而工作电流仅为数百微安。单片机内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片内外部有许多供拓展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。单片机的性能极高，单片机的寻址能力也已突破64KB限制，有的已经达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达到2MB。由于

18、单片机的广泛应用，因而销量很大，各大公司的商业竞争更使价格十分低廉，其性能价格比极高。3.2 单片机的应用领域单片机的应用领域十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种领域一旦用上了单片机，就能起到使产品更新换代的功效，并且常在产品名称前冠以形容词“智能型”如智能型空调。3.3 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，根据发展情况，从不同角度，单片机大致可分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家用型。3.3.1 通用型单片机按照单片机的适用范围来讲，通用型单片机并不是为某种专门用途而设计，例如80C51单片机（如图2.2）。专用型单片机是针对一类产

19、品甚至某一个产品而设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，芯片内集成ACD接口等功能的温度测量控制电路。图3.2 8051单片机3.3.2 总线型单片机这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和接口集成度高。另外80C51单片机即使通用型又是总线型，还可以作工控用。3.4 单片机的发展历史单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051,此后在8051上发展出了MCS51系列的MCU系统。基于这一系统的单片机系统

20、直到现在还在广泛的使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速的提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位SOC单片机主频超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。第四章 控制系统的构成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

21、过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载的两端电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，根据需要来改变周期内“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，来改变电压的大小，来对电动机的转速进行控制。本系统以80c51单片机为核心，通过控制，C语言编程实现对直流电动机的平滑调速。本控制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，从而控制电动机上的转速，实现直流电动机的平滑调速，对电动机运转的方向及速度进行性改变。系统构成总共分为两大部分一部分为硬件设施，一部分为软件设施

22、，硬件部分是前提，是构成整个系统的基础，为软件系统的运行提供一个良好的运行平台。软件部分是对硬件端口的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所需要的各项功能，进而控制器可以对电动机进行有效的调速。4.1 总体硬件电路设计4.1 硬件设计总体框图系统采用80C51控制输出数据，PWM信号由PWM信号发生电路产生，输送到直流电动机，通过测试电路、滤波电路、和A/D转换电路直流带你冬季将数据重新传回单片机内，进行PI控制，从而实现对电动机速度以及方向的控制，达到直流电动机调速的目的。（如图4.1）图4.1 系统总体设计框图4.1.1 80C51单片机的基本组成及介绍80C51单片机由CPU和八个

23、部件组成，他们都通过单一总线连接，基本结构是CPU加上外围芯片的模式，在功能单元的控制则是上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。（如图4.2）图4.2 8051基本结构图4.1.2 80C51单片机的CPU及部分部件的介绍CPU又称为中央处理器，它是单片机的核心，具有完成运算和控制的功能。内部数据存储器：80C51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的有128个单元。其地址为00H-7FH，建成内部RAM。内部程序存储器：80C51单片机内共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称ROM。定时器：80C51单片机内共有2个16位定时器，用来定时或者计数功能，并且以其定时或计数

24、结果对计算机进行控制。中断系统：80C51单片机内共有5个中断源，其中外部中断两个，定时/计数中断两个串行中断1个。4.2 单片机系统中所用其他芯片选型4.2.1 地址锁存器地址锁存器可以选择多种，有地址锁存功能的器件有74LS373、8282、74LS273等，8282是地址锁存器，功能与74LS373类似，但本系统选用74LS373作为地址锁存器（如图4.3），考虑到其应用的广泛性以及具有良好的性价比，成为目前在单片机系统中应该较广泛的地址锁存器。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器。当使能端呈高电平时，锁存器中的内容可以更新，而在返回低电平的瞬间实现锁存。如果此时芯片的输出控制

25、端为低，也即是输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可以通过三态门输出。图4.3 74LS373引脚图4.2.2 程序存储器单片机的程序存储器是单片机的一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中的重要存储器，但是由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器进行扩展，扩展程序存储器常用芯片有EPROM（紫外线可擦除型），另外还有+5V电擦除E2PROM等。本论文采用的程序存储器扩展芯片为16K的27128（如图4.4），EPROM紫外线可擦除型扩展芯片为程序扩展芯片，其优点是可以在满足程序要求的前提下还有一定的拓展空间，可以满足今后的程序拓展。图4.4 27128引脚图4.2.3 数据存储器805

26、1单片机有128B RAM，当数据量超过128B时也需要将数据存储区进一步的扩展。常用的RAM芯片分静态和动态两种。静态RAM有6116，6264等。动态DRAM2164，另外还有集成IRAM和E2PROM。而后者具有断电保护数据的功能一般数据扩展常使用随机存储芯片，多是6116（2KB）或6264（8KB）等。本系统采用了后者。图4.5 6246引脚图4.2.4 单片机扩展电路分析图4.6 单片机扩展电路4.3 PWM信号发生电路设计4.3.1PWM的基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，对负载两端的电压进行改变，从而达到需求电压。在系统中可以按照一个固定的频率来断开或是接通电

27、源，并根据要求来改变周期内的“接通”或是“断开”。改变平均电压大小则是通过改变直流电动机上的“占空比”来达到，对电机的转速进行调整。（如图4.7）图4.7 PWM方波假设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/T,则Va=VmaxD，Va为电机的平均速度。由公式可得，我们若是要改变电机转动速度Va，只需要改变占空比D=t1/T就可得到，从而达到调速的目的。其实平均速度Va与占空比D并非严格的线性关系，在一般应用中可以将它们看成近似的线性关系。4.3.2 PWM信号发生电路设计图4.8 PWM信号发生放大电路PWM波可以由单片机编程产生，也可通过专用的PWM芯片来实现。当P

28、WM波太高时，对于直流电机驱动的功率要就就变和非常高，而当功率过低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际应用中，PWM波频率最好的阶段是在18KHz左右。本系统内，PWM信号发生器采用了两片四位数值比较器4585和一片12位串口计数器4040组成。两片4585比较器，就是上图的U2、U3的A组接12位串行4040计数输出端Q2-Q9，而U2、U3的B组接到单片机P1端口。只要改变P1端口的输出值，那么就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调速控制。12位串口计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C51晶振的振荡输出XTAL2。当计数器4040来到8个脉冲，其输出Q2-Q9加1，当计数

29、值小于或者等于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）输出端保持为低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中U2的（AB）输出为高电平，随着计数值的增加，Q2-Q9由全“1”变为全“0”时，图中U2的（AB）输出端有变为低电平，就这样在U2的（AB）端得到了PWM的信号，它的占空比为（255-X/255）100%，那么通过改变X的数值，就可以得到相应的PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。所以依据此方法，单片机只要改变输出量X的值，而PWM信号由三片通用数字电路产生，这样不仅使得软件大大的简化，又利于单片机系统的正常工作。单片机上电复位时P1口的输出全为“1”，使用数值

30、比较器4585的B组与P1端口相连，升速是P0端口输出X按一定的规律减少，而降速是按一定规律增大。4.3.3 PWM发生电路主要芯片工作原理数据比较器74LS6828、74LS6838等8位数值比较器芯片具有比较功能。4位数值比较器4585等。本PWM发生电路选用4585为信号发生电路。芯片的引脚图(如图4.8)图4.9 4585引脚图串行计数器系统PWM信号发生电路还用到一片串行计数器，有串行计数功能的芯片有4024、4040等，他们有相同的电路结构和逻辑功能，但4020是7位二进制串行计数器，而芯片4040是一个12位的二进制串行计数器，所有计数器位为主从触发器，计数器在时钟下降沿进行计数

31、。当CR为高电平时，它对计数器进行清零，由于在时钟输入端使用施密特触发器，对脉冲上升和下降时间没有限制，所有的输入和输出均经过缓冲。本系统使用4040作为串行计数器.（如图4.10）图4.10 4040引脚图功率放大驱动电路设计作用于功率放大的驱动芯片有很多种，其中最常用的芯片有IR2110HE和EXB841，从IR2110HE无论是从性价比还是从实用性上来讲多更加的合适，所以本系统采用IR2110HE集成芯片，增强该系统的驱动能力和保护能力。IR2110是由美国国际整流器公司利用自身独有的高电压集成电路以及无闩锁CMOS技术，于1990年前后开发投放市场的，IR2110是一种双通道高压、高速

32、的功率器件栅极驱动的单片式集成驱动器。芯片将驱动高压侧和低压侧所需的大部分功能集成在一个高性能封装内，外接很少的分立元件就可以提供极快的功耗，它的特点在于将输入逻辑信号换成同相地租输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，可以达到600V，内设欠压封锁，不仅便于调试而且成本还比较低。高压侧驱动采用外部自举电容上电，在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得电路设计简化，并且实现了系统的最优驱动，除此之外还具有快速的完整的保护功能，为控制系统提供了极高的可靠性，降低了产品的成本和减小了产品的体积。（如图4.11）4.11 IR2110引脚图4.4 主电

33、路设计IR2110芯片的另外一个重要功能则是可以利用IR2110芯片完善设计可以实现岩石保护电路。IR2110使它自身可对输入的两个信号通道信号之间产生合适的延时，保证加到被驱动的逆变桥中同桥臂上两个功率MOS器件的驱动信号之间有一互锁的时间间隔，因而防止被驱动的逆变桥中两个功率MOS器件同时导通而发生直流电源直通路的危险。4.4.1主电路产生电压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的动作，在高压侧截至期间低压侧必须导通，才能给自举电容提供充电的通路。因此在这个电路中，Q1、Q4或者Q2、Q3是不可能持续，不间断导通的。所以采取PWM信号来控制直流电动机的正转以及他的速度。将IC1的HTN端

34、与IC2的LIN端相连，而把IC1的LIN端与IC2的HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。在HIN为高电平期间，Q1、Q4导通，在直流电机上加上正向的工作电压，流程如下：当IC1的L0为低电平而H0为高电平的时候，Q2截止，C1上的电压经过VB、IC内部电路和H0端加在Q1的栅极上，从而使得Q1导通；利用同样道理使得Q4导通。电源经过Q1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过Q4到达零电位，完成整个的回路。此时电机正转。在HIN为低电平期间，LIN端输入高电平，Q2、Q3导通，在直流电动机上加反向工作电压，其具体流程如下：当IC1的L0为低电平而N0为高电平时，Q2导通且Q1

35、截止。此时Q2的漏极接近于零电平Vcc通过B1想C1通电，为Q1的又一次导通做准备，同理可知，AC2的H0为高电平而L0为低电平，Q3导通且Q4截止，Q3的漏极近乎零电平，此时Vcc通过D2向C3充电，为Q4的又一次导通做准备。电源经过Q3只电动机的负极经过整个电动机后通过Q2到达零点电位，完成整个回路。此时，直流电动机反转。一次电枢上的工作电压是双极性的矩形脉冲波形，由于存在着机械惯性的缘故，电动机转向和转速石油矩形脉冲电压的平均值来决定的。设PWM的波形为T，HTN为高电平的时间为T1，这里忽略死区时间，那么LIN为高电平的时间就为T-t1。HIN信号的占空比为D=t1/T，那么电枢电压的

36、平均值为：Vout=t1-(T-t1)V/T=(2t1-T)V/T=(2D-1)V定义负载电压系数为，= Vout / V， 那么 = 2D 1 ；当T为常数时，改变HIN为高电平的时间t1，也就改变了占空比D，从而达到了改变Vout的目的。D在01之间变化，因此在1之间变化。如果我们联系改变，那么便可以实现电机正向的无级调速。当=0.5时，Vout=0，此时电机的转速为0；当0.51时，Vout为正，电机正转；当=1时，Vout=V，电机正转全速运行。系统主电路设计图：图4.12 系统主电路图输出电压波形：4.13 调制后输出波形4.4.2 系统总体电路图直流电动机调速系统总体电路图设计由单

37、片机产生控制PWM信号发生器产生PWM信号的数据，控制直流电动机调速电路对电机进行调速。（如图4.14）图4.14 系统总体电路图4.4.3 测速发电机测速发电机是一种测量转速的微型发电机，其原理就是将输入的机械转速转换为电压信号输出，并要求输出的电压信号与转速成正比，有直流和交流两种测速电机。一般测速电机都经过精确设计，电动势与转速成线性关系，表述公式：E=Kn，K为常数，改变旋转方向时，输出的电动势极性亦发生变化。只要检测输出电动势，即可获得电机转速。4.4.4 滤波电路经过整流后的单向直流或单向脉动直流电，都是由强度不变的直流成分和一个以上的交流成分叠加形成的。为了使脉动直流电变的较为平

38、稳，把其中的脚就成分滤掉，叫做滤波。滤波有电容滤波、电感滤波等。一般电容滤波更加平稳，所以本系统使用电容滤波，使调速更加精确。（如图4.15）图4.15滤波电路4.4.5芯片的选型能够进行A/D转换的芯片很多，其中AD系列的有8位A/D转换器ADC0809和TLC545，其中TLC545是美国TEXAS仪器公司新推出的一种开关电容结构逐次逼近式的8位A/D转换器，具有19个模拟输入端。而ADC0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其中内部有一个8通道的多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号的一个进行A/D转换，具有地址锁存控制的8路模拟开关，

39、应用单一的+5V电源，其模拟量输入电压的范围为0V+5V，其对应数字量输出为00H+FFB，转换时间为100s，无需调零或者调整满量程，因此本系统采用ADS0809为A/D转换芯片。芯片共有28个引脚，其中IN,-TN接8路模拟量输入。ALE是地址锁存允许，、接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路。（如图4.16）图

40、4.16 ADC0809引脚图4.5 系统软件的设计4.5.1 PI转速调节器原理图及参数的计算：PID转速调节器电容值关系：Kn = Rn/ R0 n = Rn/ Cn Ton = 1/4 R0 * Con参数求法： 电动机 P=10KW U=220V I=55A n=1000转/分 电枢电阻R=0.5欧姆 取滤波电路中Ro=40千欧 Rn=470千欧 Cn=0.2uF Con=1uF 则：Umax=220VUmin=（220/0.9）*0.5=122VYi-1=0 W=1000转/分P=Kp=Rn/Ro=11.7I=Kp*T/Ti=1254.5.2系统中的部分程序设计软件由一个主程序、一个

41、中断子程序和一个PI控制算法子程序组成。主程序是一个循环程序，其主要思路是，设定好速度初值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。主程序流程图：图4.17主程序流程框图第五章 软件调试及仿真5.1 软件的调试在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、

42、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。经过多天的努力探索，也经过老师的指导，大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法与流程：（1）认真检查源代码，看是否有文字或语法错误（2）逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查（3）找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功5.2 系统的仿真仿真软件选择Proteus ，在Proteus中画出系统电路图，当程序在Keil C中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。若不成功，则重新回到软件调试步骤，进行软件调试。找出错误所在，更正后重新运行系统。硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行