课程设计设计题目： PWM波直流电机速度调节系统学院：专业：班级：姓名：学号：指导老师：日期：目录一引言 (1)1.1开发背景 (2)1.2数字控制器D(z) (5)二直流电动机调速概述 (4)2.1直流电机调速原理 (4)2.2直流调速系统实现方式 (5)2.3 8051单片机简介……………………………………………………………三硬件电路设计............................................................................................ (7)3.1 PWM波形的程序实现 (7)3.2直流电动机驱动 (8)3.3续流电路设计 (9)四软件设计 (10)4.1主程序设计 (10)4.2 数码显数设计 (11)4.3 功能程序设计 (12)4.4仿真图 (17)4.5 仿真结果分析 (18)五心得体会 (18)摘要：在国民生产中，随着现代技术的发展，电力电子技术已得到了全面的发展，其技术已应用到各个领域。
在各类机电系统中,由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能,直流电机调速系统已广泛运用于工业、航天领域的各个方面,最常用的直流调速技术是脉宽调制(PWM)直流调速技术,具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和损耗低的特点.而利用计算机数字控制也成了直流调速的一种手段,数字控制系统硬件电路的标准化程度高,控制软件能够进行复杂运算,可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律,此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟系统无法实现的功能。
关键字：80c51单片机；PWM调速技术；直流电动机一引言1.1开发背景1 绪论1.1课题的研究背景和意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
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，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使1采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
这控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制，变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调、速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。
张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。
该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。
董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。
经 1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。
由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。
而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。
所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段。
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数字控制器D(z)假设直流电机和PWM控制与变换器传递函数如图所示，用最少拍方法设计直流电机调速系统的数字控制器D(z),二直流电动机调速概述2.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。
不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速有以下公式：n=U/C cφ-TR内/C r C cφ其中：U—电压；R内—励磁绕组本身的电阻；φ—每极磁通(Wb)；C c—电势常数；Cr—转矩常量。
由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，y图2 晶闸管直流电机速度调节系统简化框图高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。
所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
图1-1 直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。
在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM)应用更为广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即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“开关驱动装置”。
图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图根据上图，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为max V ，占空比为D=1t /T ，则电机的平均速度为：D max V =V *D ，可见只要改变占空比D ，就可以得 到不同的电机速度，从而达到调速的目的。
2.2直流调速系统实现方式PWM 为主控电路的调速系统：基于单片机类由软件来实现PWM ，在PWM 调速系统中占空比D 是一个重要参数在电源电压d U 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比D 的大小，改变D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。
改变占空比D 的值有三种方法：A、定宽调频法：保持t不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。
1B、调宽调频法：保持t不变，只改变t，这样使周期(或频率)也随之改变。
1C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t和t。
12.3 8051单片机简介1．8051单片机的基本组成8051单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成如下图所示：8051基本结构图2．8051单片机引脚图8051单片机引脚图三硬件电路设计本系统采用80C51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，从而实现对电机速度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。
3.1 PWM波形的程序实现随计算机技术及电力电子技术的发展，PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C51单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用，工作在方式1，定时时间为比为1：1，则和 R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流程图如图2-1所示：图 2-1 程序流程图3.2直流电动机驱动在直流电动机的驱动中对大功率的电动机常采用IGBT作为主开关元件,对中小功率的电机常采用功率场效应管作为主开关元件.另外还可以采用集成电路来完成对电机的驱动，系统采用集成电路L298来驱动电机L298内部结构和功能引脚图L298是双H高电压大电流功率集成电路.直接采用 L逻辑电平控制,可以驱动继电器、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
其内部有两个完全相同的功率放大回路。
L298 引脚符号及功能SENSA、SENSB：分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地ENA 、ENB：使能端，输入PWM信号IN1、IN2、IN3、IN4：输入端，TTL逻辑电平信号OUT1、OUT2、OUT3、OUT4：输出端，与对应输入端同逻辑VCC：逻辑控制电源，4.5~7V GND:地VSS：电机驱动电源，最小值需比输入的低电平电压高当使能端为高电平时，输入端IN1为PWM信号,IN2为低电平信号时,电机正转；输入端IN1为低电平信号，IN2为PWM信号时,电机反转;;IN1与IN2相同时,电机快速停止。
当使能端为低电平时,电动机停止转动。
3.3续流电路设计由于电机具有较大的感性，电流不能突变，若突然将电流切断，将在功率管两端产生很高的电压，损坏器件。
我们在此电路中应用的是二极管来续流，利用二极管的单向导通性。
二极管的选用要根据PWM的频率和电机的电流来决定，二极管要有足够迅速的恢复时间和足够的电流承受能力。
由于电机具有较大的感性，电流如果突变易损坏功率胳即L298芯片。
为保护芯片加上洗续流电路。
电路的工作原理替如图3.7所示。
电路的工作原理：当电机正转时，若突然掉电，D1、D4导通，D2、D3截止；当电机反转时，突然掉电D2、D3导通，D1、D4截止。
续流电路工作原理图四软件设计4.1主程序设计该主程序主要完成初始化，设置定时常数和中断入口程序，主程序不断的循环处于等待中断状态.ORG 0000HAJMP STARTORG 0003HLJMP INT0； T0中断ORG 000BHLJMP ITT0； T1中断ORG 0030H ；系统初始化START: MOV SP,#60H ；赋初值堆栈指针MOV R0,#00H ；给R0送值0MOV R1,#00H ；给R1送值0CLR P1.5 ；置0CLR P1.6 ；置0CLR P1.7 ；置0MOV TMOD,#01H ；写控制字控制方式MOV TL0,#0FFH ；置定时常数MOV TH0,#0FFHSETB EA ；允许中断SETB EX0 ；允许外部中断0SETB ET0 ；允许TL0中断CLR IT0SETB TR0 ；启动TL0图3-1主流程图4.2 数码显数设计通过P1.1，P1.2口来控制数码，显示通过查表和调用延时实现数的显示程序代码：MOV DPTR,#TABMOV 40H,#0 ；置0MOV 41H,#0 ；置0LED: SETB P1.1 ；P1.1置1CLR P1.2 ；P1.2清0MOV A,40H ；将40H的内容送往AMOVC A,@A+DPTR ；查表MOV P0,A ；查表所得A值送往P0口LCALL TTS ；调用延时CLR P1.1 ；P1.1清0SETB P1.2 ； P1.2置1MOV A,41H ；将41H的内容送往AMOVC A,@A+DPTR ；查表MOV P0,A ；查表所得A值送往P0口LCALL TTS ；调用延时CLR P1.2 ；P1.2口清0LJMP LED ；跳转到LEDORG 2000HTAB: DB 40H,79H,24H,30H,19HDB 12H,02H,78H,00H,10H4.3 功能程序设计结束中断后转入相应的功能键程序，为加速、减速、正转、反转、暂停程序代码：ITT0: CPL P1.5 ；P1.5口取反 JNB P1.5,Z1MOV A,#0FFH ；低电平定时 SUBB A,R0MOV TH0,ASETB TR0 ；启动TL0RETIZ1:MOV TH0,R0 ；高电平定时SETB TR0RETIINT0:CLR EX0 ；实现键盘控制 MOV A,#0FFHMOV P2,AMOV A,P2JNB ACC.0,JIAJNB ACC.1,JIANJNB ACC.2,FF图3-2 数码显示流程图图3-3中断子程序流程图 JNB ACC.3,ZZJNB ACC.4,TZAJMP CCJIA: CJNE R0,#0FFH,AA ；实现电机加速AJMP CCAA: MOV A,R0ADD A,#25MOV R0,AAJMP CCJIAN: CJNE R0,#00,BB ；实现电机减速AJMP CCBB: MOV A,R0SUBB A,#25MOV R0,AAJMP CCCC: MOV A,R0 ；数码显数 MOV B,#25DIV ABMOV B,#10DIV ABMOV 40H,AMOV 41H,BSETB EX0LCALL TTS ；调用延时 LCALL TTS ；调用延时 LCALL TTS ；调用延时 LCALL TTS ；调用延时 RETIFF: SETB P1.6 ；电机反传 CLR P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETIZZ:CLR P1.6 ；电机正转SETB P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETITZ: CLR P1.6 ；实现电机停止 CLR P1.7LCALL TTSLCALL TTSLCALL TTSSETB EX0RETITTS: MOV R3,#0E0H ；延时子程序TT1S: MOV R4,#40HTT0S: DJNZ R4,TT0SDJNZ R3,TT1SRETEND4.4仿真图在该设计中，利用Proteus软件进行仿真。