基于51單片機的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計——開題報告

1、西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目 基于51單片機的PWM直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計所 在 系 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名 XX 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 班 級 測控XXX學(xué)號 XXXXX 指導(dǎo)老師 XXXXXX 教學(xué)服務(wù)中心制表2014年3月對 題 目 的 陳 述1.選題意義與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要研究內(nèi)容及技術(shù)方法1.1選題的研究目的及意義現(xiàn)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(chǎn)機械進行自動控制。在如今的現(xiàn)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(yīng)用

2、和發(fā)展，其中自動調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(nèi)平滑調(diào)速，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自動調(diào)速系統(tǒng)中的主要形式。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)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(diào)制技術(shù)表現(xiàn)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(guān)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(diào)速范圍寬；系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)、導(dǎo)通損耗小、裝置效率較高。近年來，微型計算機技術(shù)發(fā)展速

3、度飛快，以計算機為主導(dǎo)的信息技術(shù)作為一嶄新的生產(chǎn)力，正向社會的各個領(lǐng)域滲透，直流調(diào)速系統(tǒng)向數(shù)字化方向發(fā)展成為趨勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀直流電機脈沖寬帶調(diào)制（PulseWidthModulation簡稱PWM）調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生于年代中期。最早用于不可逆、小功率驅(qū)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(shù)的發(fā)展，同時又因出現(xiàn)了寬調(diào)速永磁直流電機，它們之間的結(jié)合促使PWM技術(shù)的高速發(fā)展，并使電氣驅(qū)動技術(shù)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(shù)中應(yīng)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(chǎn)線及機器人等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。如今，電子技術(shù)、計算機技術(shù)和電機控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢更為明顯，促使電機控制技術(shù)以更快的速度發(fā)展著。隨著市場的發(fā)展，客戶對電機驅(qū)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(fù)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(yù)期新的更高性能電力電子器件還會出現(xiàn)，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(nèi)容及技術(shù)方法本課題設(shè)計的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)采用的是調(diào)壓調(diào)速。系統(tǒng)主電路采用大功率GTR為開關(guān)器件，H橋單極式電路為功率放大電路的

5、結(jié)構(gòu)。PWM調(diào)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(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形波。通過調(diào)節(jié)波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，以達到調(diào)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(chǎn)生過程得到了大大的簡化。本設(shè)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(shè)計中，采用了PWM技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。任務(wù)要求如下(1) 、直流電機的轉(zhuǎn)速范圍：11000轉(zhuǎn)/秒(2) 、用PWM波調(diào)速(3) 、調(diào)速精度：1轉(zhuǎn)(4)、可實時顯示直流電機的轉(zhuǎn)速，設(shè)定轉(zhuǎn)速后可快速變化到設(shè)定

6、轉(zhuǎn)速(5)、對系統(tǒng)進行測試和結(jié)果分析(6)、用相關(guān)語言進行軟件編程(7)、利用Proteus軟件設(shè)計并驗證直流電路的調(diào)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(shù)學(xué)模型、脈寬調(diào)制控制原理和H橋電路基本原理設(shè)計了驅(qū)動電路的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)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(shè)計的電路能夠滿足性能指標要求，并給出了仿真結(jié)果。2.課題研究的方案設(shè)計（方法、手段、技術(shù)路線、可行性論證)2.1.技術(shù)路線 (1)直流電機工作原理(2)直流電動機的驅(qū)動電路和增量式光電編碼器電路設(shè)計(3)按鍵控制和顯示電路的設(shè)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(shè)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(dǎo)體在磁場中將會受到力的作用，若磁場與載流導(dǎo)體互相垂直，作用在導(dǎo)體上的電磁力大小為： f = B 其中，B:磁場密度：導(dǎo)體長度 ：電流 力的方向用左手定則確定。 (2)設(shè)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(guān)和4個不同位置量(不同脈沖個數(shù)) b、顯示電路 運用LCD顯示設(shè)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(jié)構(gòu)。在KEILC環(huán)境下編寫微控制器程序，AT89C52內(nèi)部含有2個外部中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器。用片內(nèi)單片機定時器中斷方

8、式產(chǎn)生周期性脈沖柬控制步進電機轉(zhuǎn)動步數(shù)，用另一個定時器反饋脈沖數(shù)。將欄序設(shè)計戚三部分:主循環(huán)欄序、中斷服務(wù)子程序以及其他相應(yīng)服務(wù)子程序(包括鍵盤、LCD顯示、延時、PID控制、驅(qū)動于程序)。 在連續(xù)控制過程中，采用增量式數(shù)字PID 程序?qū)γ}沖輸出進行控制，此算法結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整。 增量式數(shù)字PID 的數(shù)學(xué)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(shù)； T采樣周期； TD微分周期； TI積分周期； KI積分系數(shù),KI= KP T/TI； KD微

9、分系數(shù)，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(shè)計的電路能夠滿足性能指標要求，并給出了仿真結(jié)果。 完成本課題所需的工作條件(如工具書、計算機、實驗、調(diào)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(guān)資料；熟悉相關(guān)軟件（Proteus,vision等畫圖工具）的使用；復(fù)習(xí)模電、數(shù)電等電路方面的相關(guān)知識；撰寫開題報告，并反復(fù)的加以修正；通過分析已有的系統(tǒng)及相關(guān)資料，確定本次畢業(yè)設(shè)計的方案和思路。第35周：設(shè)計各單元電路；選擇適當(dāng)?shù)碾娐?；并對其?/p>

10、數(shù)進行設(shè)計、計算和仿真；用PROTEUS畫電路圖。第67周：根據(jù)電路原理圖設(shè)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(diào)試和測試；記錄實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果；針對結(jié)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(shù)據(jù)及結(jié)果進行整理和總結(jié)；并整理本次設(shè)計的所有相關(guān)資料。第1215周：根據(jù)所搜集到的相關(guān)知識和文獻資料及整個設(shè)計的實驗過程及結(jié)果撰寫畢業(yè)設(shè)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(shè)計王建校，楊建國，寧改娣，危建國編著。 北京：科學(xué)出版社，2002【2】數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 張克農(nóng)主編 高等教育出版社，2003【3】現(xiàn)代測試技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計 申忠如等編著 西安交通大學(xué)出版社，2006【4】電子系統(tǒng)設(shè)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(dǎo)書王建校，張虹編寫。輕印，2007【6】單片機C語言開發(fā)技術(shù) 龔運新編著 清華大學(xué)出版社