[优秀毕业设计精品]基于AT89S52单片机的转速单闭环调速系统

《[优秀毕业设计精品]基于AT89S52单片机的转速单闭环调速系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[优秀毕业设计精品]基于AT89S52单片机的转速单闭环调速系统（42页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、本科毕业设计 摘 要本科毕业设计（论文）电机直流调速硬件设计 学生姓名： 学生学号： 院 （系）： 年级专业： 指导教师： 助理指导教师： 摘 要直流调速系统目前已被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门，理想的直流电机调速系统响应速度快，超调量小，系统稳定性好，并具有很强的抗干扰能力。该实验中搭建了基于AT89S52单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，电动机升速、降速及反转等功能并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。关键字：直流电机， AT89S52，PWM，调速，数字式36本科毕业设计 AB

2、STRACTABSTRACTThe dc motor is a widely used machine in various occasions The speed regulating system is used to satisfy the requirement that the speed of dc motor be controlled over a range in some applications. In this experiment the digital Close-loop control system is based on At89s52.It used PI

3、regulator and PWM to regulate the speed of dc motor. The method of speed regulating of dc motor is discussed in this paper and, make a deep understanding about PI regulator. According to experiment the armature voltage can be controlled linearity with regulating the 8 bit PWM So the dc motor can acc

4、elerate or decelerate or reverse In experiment, hall component is used as a detector and feed back the speed .The expecting speed can be given by key-press With using the PI regulator the dc motor will have a stable speed in ten seconds when choose P value as 0.8 and I value as 0.01. At last the exp

5、eriment shows that the speed regulating system can work as expected.Key words: dc motor, At89s52, PWM, speed regulating digital本科毕业设计 目 录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1直流调速系统发展概况11.2 国内外发展概况21.2.1 国内发展概况21.2.2 国外发展概况21.2.3 总结31.3 本课题研究目的及意义31.4 论文主要研究内容32 电动机直流调速工作原理52.1 电机调速方法及原理52.1.1 改变电枢回路电阻52.1.2 改变励

6、磁磁通52.1.3 改变电枢供电电压U62.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理72.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理92.3.1 单闭环直流调速系统的组成102.3.2 转速负反馈单闭环直流调速系统的稳态特性112.3.3 转速负反馈单闭环系统的基本特征142.3.4转速负反馈单闭环系统的缺点152.4 采用积分和比例积分调节器的单闭环无静差调速系统162.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理172.5.1原理框图172.5.2 数字式PI调节器设计原理183电动机直流调速器硬件设计193.1系统硬件组成部分和框图193.2 系统硬件设计193.2.1 AT89S52单片机193.2.

7、2直流电机控制电路233.2.4 单片机按键和接线电路253.2.5 电源电路253.2.6转速检测反馈电路263.3 硬件设计总结274 运行结果及讨论284.1 实验条件及运行结果284.1.1 开环系统运行结果284.1.2 单闭环系统运行结果284.2 结果分析及讨论284.3 实验中遇到的问题及讨论28结论30参考文献31附图1电动机直流调速器硬件设计电路图32附图2 直流电动机调速器硬件实物图34致 谢36本科毕业设计 1 绪 论1 绪 论1.1直流调速系统发展概况在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长使得越来越多的生产机

8、械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切屑机床，造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，到目前为止仍是调速系统的主要形式。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，机械特性软，不能在较宽的范围内平滑调速，所以目前极少采用。30年代末，出现了发电机-

9、电动机配合采用磁放大器，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，较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机轴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设备，因而体积大，费用高，效率低，安装需有地基，运行有噪声，维修困难等。 直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐

10、让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。目前，电机调速控制模块主要有以下三种：采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；采用由IGBT管组成的H型PWM电路。用单片机控制IGBT管使

11、之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。1.2 国内外发展概况单片机的功能不断加强，运算速度不断提高，价格降低且可靠性增强，数字控制技术的迅猛发展，给电力拖动自动控制系统增添了新的技术手段，数字控制可由通用的单片微型计算机来实现，单片微型计算机除完成数字运算外，还可以实现像其他各种特殊的控制规律，可以存储和计算不同条件下的速度设定值及变化规律，可兼对各种工艺参数进行检测、显示、越限报警打印报表等，通过分时采样还可以用一台计算机控制多台调速装置，这些技术特点为直流调速控制器由模拟向数字化发展提供了契机，且全数字化控制系统的控制规律主要由软件实现，只需配备少量的接口电路就能形成一个完整的

12、控制系统，其硬件结构简单，可以通过容易更改的软件来实现不同的控制规律。数字化系统除了能实现系统的控制外，还能实现系统的保护诊断和自检功能，结构简单、可靠性高。操作维护方便，使得电动机稳态运行时精度可达较高水平，静动态各项指标性能均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。此外，数字化是控制系统向集成化，小型化，智能化方向发展，因此电动机调速控制装置采用以单片机为核心的数字控制系统，是电气传动发展的主要方向之一。1.2.1 国内发展概况我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、

13、系列化通用产品批量生产。用于大功率的2000KW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。直流电动机调速系统的内模控制方法。单神经元自适应智能控制的方法。模糊控制方法。上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。1.2.2 国外发展概况目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE

14、公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。1.2.3 总结随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、

15、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。1.3 本课题研究目的及意义 现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源。在电能的生产和使用等方面，电机起着重要的作用。直流电机将电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。机械制造工业，冶金工业，煤炭工业，石油工业，轻纺工业，化学工业，及其他各工矿企业中，广泛地应用各种直流电动机。例如用电动机拖动各种机床，轧钢机，电铲，卷扬机，纺织机，造纸机等生产机械。在交通运输中，铁道机车和城市电车的拖动；在农业方面电力排灌设备，打谷机等都由电机拖动。在国防、文教、医疗及日常生活中也

16、广泛应用各种小功率的电机。许多生产机械，如矿井卷扬机，可逆轧钢机等，使用中要求传动电机既能正转又能快速反转，还要求进行快速的减速与停车。所以电机的调速系统起着至关重要的作用。近三十年来，由于大功率电力电子器件以及微电子技术，微型计算机技术的一系列进展促进了直流调速技术的发展，已经生产许多种直流调速系统，不仅生产机械的性能，而且节省了大量电能长期以来，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。1.4 论文主要研究内容 本课题的研究对象为直流电

17、动机，对其转速进行控制。基本思想是通过单片机自带的PWM口，连接驱动电路，通过输出的信号调整PWM的占空比，从而控制直流电机的电枢电压达到控制转速的目的。控制系统硬件设计为：以单片机为核心，驱动电路为主要执行部件，由转速环、显示器、控制按键组成。具体内容：介绍直流电机调速的工作原理。进行以单片机为控制核心的电机数组控制系统的应硬件设计。进行分析，并有实验得到相关参数。总结。本科毕业设计 2 电动机直流调速工作原理2 电动机直流调速工作原理2.1 电机调速方法及原理 由直流电机的工作特性和运行原理得 式 (2.1) 式(2.2 )把式（2.1）代入式（2.2），可得 式（2.3）由式（2.3）得

18、：要改变直流电机的转速可以通过改变电枢供电电压U；改变电枢回路电阻R；改变励磁磁通三种不同的方式。2.1.1 改变电枢回路电阻在电压U和磁通不变的条件下，增大电枢回路的电阻为。这时，理想空载转速，而机械特性的斜率增大。当R4R3R2R1时对应的机械特性曲线如图2.1中的曲线4,3,2,1.如果电动机带的是恒转矩负载，如图2-1中的AB线。如果希望工作转速由高速的a点变为低速的b点，只要在电枢回路里串入电阻R4就 能 做到。图2.1 改变电阻转速和转矩关系图 这种调速方法，只能使转速往下调。如果所串电阻R能连续变化，电动机调速也能平滑。至于调速范围，从图2.1中看出，当负载转矩较小时，例如CD线

19、，调速范围变小了。可见，在同样串联电阻的条件下，它的调速范围是随负载转矩而变化的。这种调速方法最主要的缺点，是调速后的效率大大降低了。例如，在负载特性为AB线时，调速前后电枢电流I不变，电磁转矩T不变，从电源输入的电功率P1=UI也不变，由于转速降低。电磁功率Pm=T成正比的降低，因此效率降低了。能量多消耗在电阻R中。而且，要求电阻箱能长时间运行，其体积是笨重的，也不可能做到连续调节。在大容量直流电动机中一般不用这个调速方法。2.1.2 改变励磁磁通 当电枢电压U、电枢回路电阻R都保持不变，仅改变气隙磁通时，也能改变他励电动机的机械特性。由于电动机在额定励磁电流时，磁路已经有点饱和，再增大气隙

20、磁通就比较困难。一般都是减小气隙磁通。从式2.3看出气隙磁通减小时，首先使理想空载转速N增大，其次使机械特性的斜率变大。图2.2画出了减弱气隙磁通时的机械特性。图2.2中曲线1是固有机械特性，曲线2,3,4的磁通逐一减小。 仍以恒转矩负载机械特性来分析此种调速，如图2.2中的AB,CD,EF线。一般情况下，减小磁通，转速升高。除非电枢回路里串联了很大的电阻，或者负载转矩非常大，减小磁通才可能把转速调低。如图2.2中的C点。这在实际中是难遇到的。这种调速方法是在励磁回路串联电阻来实现的。因此用的控制功率较少，设备也简易，比电枢回路串联电阻调速要方便得多。调速后，因I增加得多，If减少得不多，电源

21、输入功率还是增加了。电磁功率并不降低，这是它的优点。 图2.2 减小磁通转速的变化图 2.1.3 改变电枢供电电压U当励磁电流、电枢回路总电阻都不变，仅改变电枢端电压U时，机械特性曲线是一组与固有机械特性想平行的直线，如图2.3所示。改变电枢端电压U调速时，输入功率P1=UI，与电压U成正比。电磁功率与转速成正比。而电枢感应电动势Ea差不多等于端电压U,并且正比于n。所以调速时效率基本不变。 式（2.4） 改变电枢端电压目前主要有两种方法：一种是可控整流供电;一种是直流斩波器供电。图2.3是可控整流器降压的直流电动机调速系统。如果要求电动机能正反转，可用反并联整流电路，是用直流斩波器降压调速的

22、直流电动机调速系统，它利用电力半导体元件的开关作用控制加在电动机两端得通电时间，从而控制电动机的输入电压。电动机电压随时间的变化电动机输入电压的平均值可表示为 式（2.5）式中，是斩波器开通时间；T是斩波器的通电周期；是斩波器的占空比. 式（2.6） 图2.3 改变电压转速的变化图2.2直流电机PWM(脉宽调制)调速工作原理 在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需

23、要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。在图2.4中假定IGBT先导通T1（忽略其的管压降，这期间电源电压U全部加到电枢上），然后关断T2，电枢失去电源，经二极管VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图2.5所示。电动机电枢端U0为其平均值： 式（2.7）式中为一个周期T中，IGBT导通时间与T的比率，称为PWM电压的占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的，实现电动机的平滑调速：定宽调频法:保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。调宽调频法：保持不变，改变，从而改变周期（或频率）。定频调宽法：保持周期（或频率）不变，

24、同时改变、。 图2.4 PWM调速控制原理图ttT 图2.5 输入输出电压波形图前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。PWM开环调速系统控制电路主要由脉宽调制器，功率开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。脉冲调制器是一个电压-脉冲变换装置。由控制电压进行控制，为PWM变换器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯齿波。脉宽调制信号也可方便地由数字方法来产生，目前有许多专用集成P

25、WM控制电路，它们为脉宽调制调速系统的设计提供了方便，而且提高了系统的可靠性。产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片

26、机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。单片机PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。其中常用后两中方法获得PWM信号。实验中使用方法获得PWM信号。2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统原理不同的生产机械，其工艺要求电气控制系统具有不同的调速性能指标，概括为静态和动态调速指标。静态调速指标调速范围 电动机在额定负载下，运行的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示。即 式（2.8）静差率 静差率是指电动机稳定运行时，当负载由理想空载增加至额定负载

27、时，对应的转速降落与理想空载转速之比，表示为 式(2.9) 静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定性越好。调速范围与静差率的关系 在调速系统中，额定电压为最高转速，静差率为最低转速时的静差率，则最低转速 式(2.10) 则调速范围与静差率满足下列关系式： 式（2.11） 由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。2.3.1 单闭环直流调速系统的组成 只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。但开环直流调速系统

28、具有局限性：通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。开环系统对于负载扰动是有静差的。必须采用闭环反馈控制消除扰动静差为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2.6所示。在闭环系统中，把系

29、统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。调节器被控对象扰动量检测装置输出量反馈量偏差输入量+ 图2.6 闭环系统方框图 对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压，与转速给定电压进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压，去控制电动机的转速，这就组

30、成了反馈控制的闭环调速系统，如图2.7所示。图2.7 转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图2.3.2 转速负反馈单闭环直流调速系统的稳态特性 为分析系统的静特性，突出主要矛盾，作如下假定：典型环节输入输出呈线性关系；系统在电流连续段工作；忽略直流电源和电位器内阻。由此系统各环节输入输出量得静态关系如下：电压比较环节： 式(2.12） 比例放大器： 式（2.13） 晶闸管整流装置与触发装置： 式（2.14） 系统开环机械特性： 式(2.15） 以上各式中 ， 速度调节器放大系数 晶闸管整流与触发装置的电压放大系数 转速反馈系数 电枢回路总电阻 整流器内阻+电抗器电阻 电动机电枢电阻利用叠加原理，

31、将给定电压和扰动作用分别单独作用时的响应进行叠加，可得系统的静特性方程。 式（2.16）如果没有测速反馈回路，可得上述系统开环机械特性方程 式（2.17）式中，为开环理想空载转速，开环系统的静态速降。而闭环静特性 式(2.18）式中， 为闭环理想空载转速，为闭环稳态速降 。 图2.8 开、闭环系统静特性以上两种形式上相似，但本质上却有很大不同，观察图2.8，把两者作一比较。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢回路电阻压降也增大，静态速降增大，电动机转速下降。闭环系统中加有转速反馈信号，当转速稍有降落，反馈电压U便反映出来。通过比较和放大，提高了晶闸管整流装置的输出电压Ud0，使系统在新的机械特

32、性下工作，转速因此而回升。图2.8中设原来工作点为A，负载电流为Id1，当负载增大到Id2时，由于Id2Id1， /0,转速要下降，若开环系统则速度必然降至A点对应的速度，而闭环系统转速反馈电压U下降，使比较后增大，通过放大后，使从增大到，电动机工作在B点，稳态速降较开环时少得多。由此，在闭环系统中，每次增加或减少负载，就相应提高或降低整流电压，改变一条机械特性，这样众多开环特性上各取一个相应的工作点连接成闭环系统的特性。就此也看出闭环系统具有以下优点：静态速降小，特性硬在同样负载下，两者的转速降落分别为 式(2.19) 式(2.20)它们之间关系为 式(2.21) 转速闭环后，在同一负载下的

33、静态转速减小到开环时倍，因而闭环特性硬度大大提高。系统的静差率减小，稳速精度高 当空载转速相同时，开环与闭环系统的静差率分别为 式(2.22） 式(2.23）当时， 式(2.24)闭环时静差率较开环时降低至倍。 系统的调速范围大大提高 如果电动机的最高转速都是额定转速且开环及闭环系统要求的静差率保持相同，则开环调速范围 式（2.25）闭环调速范围 式(2.26）由上式可得 式(2.27）为使以上优点充分显现，关键是提高闭环系统的放大系数K，需设置检测反馈装置和足够大系数的调节器，这样闭环系统便能获得较开环系统硬得多的静特性。2.3.3 转速负反馈单闭环系统的基本特征 转速单闭环调速系统是一种最

34、基本的反馈控制系统，它具有反馈控制的基本规律，具体特征如下：有静差系统就是使用比例调节器的闭环控制系统。 有静差系统的实际转速不等于给定转速，因为从闭环静特性得静态速降为 式(2.28）当开环放大倍数K越大，越小，静特性越硬，但采用比例调节器闭环系统K总是有限值，则静态速降不可能为零。同时，具有比例调节器的闭环系统，主要依靠偏差电压来调节输出电压。若=0则控制电压,整流输出电压，电动机也就停止转动，所以是有静差系统的一大特点。 闭环系统对于给定输入绝对服从 给定电压Un它是和反馈电压U相比较的量，又可称作参考输入量。显然给定电压的一些微小变化，都会直接引起输出量转速的变化。在调速系统中，改变给

35、定电压就是在调整转速。 转速系统的抗扰动性能在闭环系统中，当给定电压Un不变时，使电动机转速发生变化的所有因素统称为系统的扰动。在实际上除了负载之外还有许多因素会引起转速的变化，包括交流电源电压波动，励磁电流变化，调节器放大倍数的漂移，周围环境温度变化引起电阻数值的变化等等。所有这些扰动对转速的影响，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。闭环系统对检测和给定环节本身的扰动五抑制能力，若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压U变化，使转速偏离原值，这种由测速发电机本身误差引起的转速变化，闭环系统无抑制调节能力。由此可见，转速闭环系统，只能抑制被反馈环包围的加在系统前向

36、通道上的扰动作用，而对诸如给定电源，检测元件或装置中的扰动无能为力。所以对测速电动机选择及安装必须特别注意，确保反馈检测元件的精度是对闭环系统的稳速精度至关重要的，是决定性的作用。2.3.4转速负反馈单闭环系统的缺点响应速度慢由于电气的时间常数一般较大，使得R(s)的调节作用要经过的延时才能产生相应的电枢电流Id(电磁转矩Te)，调节转速偏差，使转速调节的速度受到限制。抗扰性能差主要是当可调直流电源参数发生扰动时，例如电网电压变化会引起电源放大倍数Ks的变化；或者相控整流电源电流断续时使得电源放大倍数Ks和电枢电阻等效大幅变化，使得闭环系统的开环传递函数发生变化。严重时会导致闭环系统不稳定。电

37、枢电流动态过冲大由于电枢的大惯性，在动态过程中很容易发生电枢电流大幅过冲，对电动机和直流电源的安全运行不利。因此，工程中为改善转速单闭环的动、静态性能而加入电流环，构成转速、电流双闭环调速系统。增设电流内环后，带来下列好处：电枢电流的快速变化不再受大的电气时间常数的限制，使响应速度更快。在电流内环前向通道中的各种扰动量，都会被有效抑制。使得系统抗电网电压扰动的能力更强，也使得电枢电流断续引起的系统非线性不再会威胁闭环系统的稳定性。利用转速调节器的输出限幅特性，可自然实现“电流截止特性”。但负载电流扰动在电流闭环之外，因此电流内环对改善系统的抗负载扰动特性的作用是有限的。但在实验过程中考虑到电流

38、量不容易检测并反馈，鉴于实验人员能力有限而将系统设计为转速负反馈单闭环系统。2.4 采用积分和比例积分调节器的单闭环无静差调速系统前面所述的单闭环调速系统采用的是比例调节器，其控制作用需要用偏差来，只能减少静差，但不能消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且足够的稳定欲量，并改善动态性能，实现无静差调速。图2.9为单闭环调速系统的动态结构图。利用结构图的运算法则，可以得到采用不同的调节器时，输出量与扰动量之间的关系如下。 +_A图2.9 带

39、调节器的单闭环调速系统动态结构图 当采用比例调节器时得： 式（2-29） 当采用比例积分调节器时，调节器的传递函数分别为 式（2.30）得到负载扰动引起的稳态速度偏差为： 式( 2.31)突加负载使，利用拉氏变换的终值定理可以求出负载扰动引起的稳态误差为： 因此，比例积分控制的调速系统为无静差系统。但如果积分环节出现在扰动点以后，它不能消除静差。 另外，采用比例积分控制的单闭环无静差调速系统，只是在稳态时无差，动态还是有差的。在整个调节过程中，比例部分在开始和中间阶段起主要作用，在的作用下，PI调节器立即输出比例调节部分,使晶闸管整流输出电压出现，阻值转速n的继续下降，帮助转速的顺利回升，随着

40、转速接近稳态值，比例部分作用变小。积分部分在调节过程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除转速偏差。在动态过程中最大的转速降落叫做动态速降（如果突减负载，则为动态速升），它表明了系统抗扰的动态性能。总之，采用PI调节器的单闭环调速系统，在稳定运行时，只要不变，转速n的数值也保持不变，与负载的大小无关；但是在动态调节过程中，任何扰动都会引起动态速度变化。因此系统是转速无静差系统。需要指出，“无静差”是理论上的，因为比例积分调节器在稳态时电容器C两端电压不变，相当于开路，运算放大器的放大系数理论上为无穷大，才能达到输入偏差电压为0，输出电压为任意所需值。实际上，这时的放大系数是运算放大器的开环放大系

41、数，其数值很大，但任是有限的，因此仍存在着很小的，即仍有很小的偏差，只是在一般的精度要求下可以忽略不计。2.5 数字式转速负反馈单闭环系统原理2.5.1原理框图 该系统原理框图如图2.6 所示，转速反馈控制环的调节是利用单片机软件实现的PI调节。图中虚线部分是采用单片机实现的控制功能+转速调节PI驱动装置直流电动机转速反馈 图2.10 数字式转速负反馈单闭环直流调速系统2.5.2 数字式PI调节器设计原理 PI调节器的传递函数为：，其中，为积分时间常数，为比例系数。该调节器的模拟输出为： 式(2.32)式中，e(t)为调节器的偏差输入，即给定值与反馈至只差。按如下原则离散化： 微分方程中的导数

42、直接用差分项代替； 积分用积分的求和式代替； 式(2.33)为使计算简便，转换为递推式，有： 式(2.34)即 式(2.35) 其中常数。和上次与本次的偏差量即可。常数和A事先存于固定的存储单元中，每次PI运算只是进行两次乘法运算和两次加法运算。本科毕业设计 3 电动机直流调速器硬件设计3电动机直流调速器硬件设计3.1系统硬件组成部分和框图系统的主要由如下结构组成：单片机；H型PWM驱动电路；转速检测及反馈电路；显示电路；功能键控制电路。结构框图如下：驱动电路转速检测、反馈电路LED显示功能键控制PWM单片机AT89S52图3.1 系统总体框图3.2 系统硬件设计3.2.1 AT89S52单片

43、机 图3.1 单片机概图 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。主要性能1)与MCS-51单片机产品兼容； 2)8K字节在系统可编程FLASH存储器； 3)1000次擦写周期； 4)全静态操作：0Hz-33MHz； 5)三级加密程序存储器； 6)32个可编程I/O口线

44、； 7)三个16位定时器/计数器； 8)六个中断源； 9)全双工UART串行通道； 10)低功耗空闲和掉电模式； 11)掉电后中断可唤醒； 12)看门狗定时器； 13)双数据指针； 14)掉电标识符 。引脚说明图3.2 单片机引脚图 AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程 ，Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用

45、系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电

46、平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2

47、）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动，4个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻

48、的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。 在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功

49、能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁

50、存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数

51、据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源V，当然这必须是该器件是使用12V编程电压V。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2.2直流电机控制电路 图3.3 直流电机控制

52、电路该控制电路分为驱动电路和主电路。主电路为双极性可逆PWM变换电路，硬件电路如图3.3所示。主电路由4个二极管和4个功率管IGBT组成。Q2和Q7同时导通和关断，其栅极驱动电压U2=U7；Q5和Q8同时导通和关断，其栅极驱动电压U5=U8. 在一个开关周期内，当0=tton时，U2和U7为正，功率管Q2和Q7饱和导通，而U5和U8为负，Q5和Q8截止。这时+U加在电枢左右两端，电枢电流从电机左端流入。当ton=tT时，U2和U7变负，Q2和Q7截止，U5和U8变正，但Q5和Q8不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，I沿经D2和D3续流，在D2和D3上的压降使Q5和Q8的c-e之间承受

53、着反压，这时，电枢电压反向，并在一个周期内正负相间，这时双极式工作制的特征。由于电枢两端电压的正负变化，使电流形式存在两种情况如图3-3中的i1和i2，i1相当于电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电动机始终工作在第一象限的电动状态。I2相当于负载很轻的情况下，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是Q5和Q8的c-e间失去反压，在负的电源电压和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，电动机处于制动状态。两个输入端均可输入PWM0、PWM1两个脉宽调制信号，控制电动机正反转时的电枢电压。由前述的PWM控制工作原理可知，在程序进行控制时，将一端的PWM信

54、号占空比设为0，则电动机此时将受另一端输入的PWM信号控制方向及转速大小。图3.4 电压和电流关系图3.2.3显示电路 图3.5显示屏电路 LED显示屏 ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的发光二极管组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示电路如图3.5所示，是由一个共阳极的四位一体的LED来实现的。使用单片机的p0.0-p2.7口来对显示器进行控制和输入信号3.2.4 单片机按键和接线电路图3.6 按键链接电路 电机直流调速的按键控制系统及

55、显示器接线如图3.6所示，电路分别由470，10k的电阻和五个按键组成。电阻的一端分别与相应的显示屏端口相接。五个按键分别控制电动机的置复位，正转，反转，减速，加速。五个按键通过四个与门后与外部中断0、1口相连，则只要有按键按下，就会触发外部中断0、1。另外使用P3口作为键值输入口。程序上使用外部中断0、1（INT0、INT1）及键值扫描实现对按键的控制。当按下选位键时，可以对四位LED进行选择，选定某位后按下置位键则可在该位上选择09任一个数，当完成转速给定值设定后按下确定键，则系统开始调速。在电动机运行过程中按下升速、降速或反转键则能进行对电动机升、降速及反转的控制。3.2.5 电源电路图3.7 电源电路 电电机直流调速系统的电源电路如图3.7，此电路将AC220V电压转变为DC12V，用来供电动机电压。其中，7818为输出电压为12V的三端固定正稳压器，具有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路使用安全可靠。主要性能： 输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。 最大输出电流：0.5A。