基于51單片機的PWM直流電機調速系統(tǒng)設計——開題報告

1、西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文）開題報告題 目 基于51單片機的PWM直流電機調速系統(tǒng)設計所 在 系 電氣與信息工程系 學生姓名 XX 專 業(yè) 測控技術與儀器 班 級 測控XXX學號 XXXXX 指導老師 XXXXXX 教學服務中心制表2014年3月對 題 目 的 陳 述1.選題意義與國內外研究現狀，主要研究內容及技術方法1.1選題的研究目的及意義現代工業(yè)的電力拖動一般都要求局部或全部的自動化，因此必然要與各種控制元件組成的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，而電力拖動則可視為自動化電力拖動系統(tǒng)的簡稱。在這一系統(tǒng)中可對生產機械進行自動控制。在如今的現實生活中，自動化控制系統(tǒng)已在各行各業(yè)得到廣泛的應用

2、和發(fā)展，其中自動調速系統(tǒng)的應用則起著尤為重要的作用。雖然直流電機不如交流電機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、容易維護，但是它具有良好的起制動性能，宜于在廣泛的范圍內平滑調速，所以直流調速系統(tǒng)至今仍是自動調速系統(tǒng)中的主要形式。隨著電力電子技術的發(fā)展，開關速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和GBT成為主流，脈寬調制技術表現出較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要用的功率元件少；開關頻率高、電流容易連續(xù)、諧波少、電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好、穩(wěn)速精度高，因而調速范圍寬；系統(tǒng)快速響應性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關狀態(tài)、導通損耗小、裝置效率較高。近年來，微型計算機技術發(fā)展速

3、度飛快，以計算機為主導的信息技術作為一嶄新的生產力，正向社會的各個領域滲透，直流調速系統(tǒng)向數字化方向發(fā)展成為趨勢。1.2國內外研究現狀直流電機脈沖寬帶調制（PulseWidthModulation簡稱PWM）調速系統(tǒng)產生于年代中期。最早用于不可逆、小功率驅動，例如自動跟蹤天文望遠鏡、自動記錄儀表等。近十多年來，由于晶體管器件水平的提高及電路技術的發(fā)展，同時又因出現了寬調速永磁直流電機，它們之間的結合促使PWM技術的高速發(fā)展，并使電氣驅動技術推進到一個新的高度。在國外，PWM最早是在軍事工業(yè)以及空間技術中應用。它以優(yōu)越的性能，滿足那些高速度、高精度隨動跟蹤系統(tǒng)的需求。近十年來，進一步擴散到民用工

4、業(yè)，特別是在機床行業(yè)、自動生產線及機器人等領域中廣泛應用。如今，電子技術、計算機技術和電機控制技術相結合的趨勢更為明顯，促使電機控制技術以更快的速度發(fā)展著。隨著市場的發(fā)展，客戶對電機驅動控制要求越來越高，希望它的功能更強、噪聲更低、控制算法更復雜，而可靠性和系統(tǒng)安全操作也擺上了議事日程，同時還要求馬達恒速向變速發(fā)展，還要符合全球環(huán)保法規(guī)所要求的嚴格環(huán)境標準。進入世紀后，可以預期新的更高性能電力電子器件還會出現，已有的各代電力電子元件還會不斷地改進提高。1.3主要研究內容及技術方法本課題設計的直流PWM調速系統(tǒng)采用的是調壓調速。系統(tǒng)主電路采用大功率GTR為開關器件，H橋單極式電路為功率放大電路的

5、結構。PWM調制部分是在單片機開發(fā)平臺之上，運用匯編語言匯編控制。由定時器來產生寬度可調的矩形波。通過調節(jié)波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，以達到調節(jié)電機速度的目的。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個PWM脈沖的產生過程得到了大大的簡化。本設計以51單片機為核心，以鍵盤作為輸入達到控制直流電機的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求。在設計中，采用了PWM技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。任務要求如下(1) 、直流電機的轉速范圍：11000轉/秒(2) 、用PWM波調速(3) 、調速精度：1轉(4)、可實時顯示直流電機的轉速，設定轉速后可快速變化到設定

6、轉速(5)、對系統(tǒng)進行測試和結果分析(6)、用相關語言進行軟件編程(7)、利用Proteus軟件設計并驗證直流電路的調速控制可行性分析： 本課題通過介紹直流電機的工作原理和數學模型、脈寬調制控制原理和H橋電路基本原理設計了驅動電路的總體結構，根據模型，利用Proteus軟件對各個子電路及整體電路進行了仿真，確保設計的電路能夠滿足性能指標要求，并給出了仿真結果。2.課題研究的方案設計（方法、手段、技術路線、可行性論證)2.1.技術路線 (1)直流電機工作原理(2)直流電動機的驅動電路和增量式光電編碼器電路設計(3)按鍵控制和顯示電路的設計 (4)用C語言進行軟件編程 (5)在Proteus環(huán)境下

7、完成系統(tǒng)的硬件電路和仿真2.2.設計方法(1)直流電機原理的熟悉工作原理：電磁力定律 載流導體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導體互相垂直，作用在導體上的電磁力大小為： f = B 其中，B:磁場密度：導體長度 ：電流 力的方向用左手定則確定。 (2)設計鍵盤控制和顯示電路 a、鍵盤控制 加入五個按鍵，分別控制步進電機開/關和4個不同位置量(不同脈沖個數) b、顯示電路 運用LCD顯示設定脈沖值、反饋脈沖值、實際位置值 (3)C語言軟件編程系統(tǒng)采用語言模塊化結構。在KEILC環(huán)境下編寫微控制器程序，AT89C52內部含有2個外部中斷口，3個16位可編程定時計數器。用片內單片機定時器中斷方

8、式產生周期性脈沖柬控制步進電機轉動步數，用另一個定時器反饋脈沖數。將欄序設計戚三部分:主循環(huán)欄序、中斷服務子程序以及其他相應服務子程序(包括鍵盤、LCD顯示、延時、PID控制、驅動于程序)。 在連續(xù)控制過程中，采用增量式數字PID 程序對脈沖輸出進行控制，此算法結構簡單，參數易于調整。 增量式數字PID 的數學表達式為 u(k)=A1e(k)-A2e(k-1)+A3e(k-2) （1） A=KP 1+T/TI+TD /T B=KP 1+2T/TI+TD /T C=KP KD /T 式中 KP比例系數； T采樣周期； TD微分周期； TI積分周期； KI積分系數,KI= KP T/TI； KD微

9、分系數，KD=TD /T。（4）在Proteus環(huán)境下系統(tǒng)的硬件電路和仿真利用Proteus軟件對各個子電路及整體電路進行了仿真，確保設計的電路能夠滿足性能指標要求，并給出了仿真結果。 完成本課題所需的工作條件(如工具書、計算機、實驗、調研等)及解決辦法KEILC和Proteus軟件、計算機4、 系統(tǒng)流程圖如下：3.主要進度安排第12周：查閱并搜集相關資料；熟悉相關軟件（Proteus,vision等畫圖工具）的使用；復習模電、數電等電路方面的相關知識；撰寫開題報告，并反復的加以修正；通過分析已有的系統(tǒng)及相關資料，確定本次畢業(yè)設計的方案和思路。第35周：設計各單元電路；選擇適當的電路；并對其參

10、數進行設計、計算和仿真；用PROTEUS畫電路圖。第67周：根據電路原理圖設計并制作PCB印制電路；在面包板上搭實驗電路；并對器件進行組合和安裝。第89周：對電路進行仔細地調試和測試；記錄實驗數據及結果；針對結果進行分析，修改問題、提高性能；并完成外文資料翻譯。第1011周：對實驗數據及結果進行整理和總結；并整理本次設計的所有相關資料。第1215周：根據所搜集到的相關知識和文獻資料及整個設計的實驗過程及結果撰寫畢業(yè)設計論文；論文答辯；以及制作PPT等。 4.參考文獻目錄【1】系列單片機及程序設計王建校，楊建國，寧改娣，危建國編著。 北京：科學出版社，2002【2】數字電子技術基礎 張克農主編 高等教育出版社，2003【3】現代測試技術及系統(tǒng)設計 申忠如等編著 西安交通大學出版社，2006【4】電子系統(tǒng)設計與實踐王建校，張虹，金印彬編寫。輕印，2007【5】單片機實驗指導書王建校，張虹編寫。輕印，2007【6】單片機C語言開發(fā)技術 龔運新編著 清華大學出版社