計(jì)控課設(shè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、基于PWM控制的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制一、摘要: 直流電機(jī)的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，需要滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代科技的要求，這是通過(guò)PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間飄移，會(huì)產(chǎn)生一些不

2、必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可獲很寬的頻帶；開(kāi)關(guān)元件只需工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場(chǎng)合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車(chē)行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)門(mén)鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛

3、機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車(chē)等場(chǎng)合。本文主要研究了利用MCS-51系列單片機(jī)控制PWM信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的方法。本文中采用了專(zhuān)門(mén)的芯片組成了PWM信號(hào)的發(fā)生系統(tǒng)，并且對(duì)PWM信號(hào)的原理、產(chǎn)生方法以及如何通過(guò)軟件編程對(duì)PWM信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制其輸入信號(hào)波形等均作了詳細(xì)的闡述。在軟件方面，文章中詳細(xì)介紹了運(yùn)算程序，初始化程序等的編寫(xiě)思路和具體的程序?qū)崿F(xiàn)。 關(guān)鍵詞：PWM信號(hào)，占空比，直流電動(dòng)機(jī)、LM298  II  ABSTRACT This article mainly introduces 

4、the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the

5、 way to adjust the duty cycle of PWM signal. Whats more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measur

6、ement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI ca

7、lculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it. Key words:  PWM signal 、tachogenerator、 DC Motor

8、60;三、算法概述本控制器主要通過(guò)脈寬調(diào)制 PWM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓， 實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 調(diào)脈寬的方式有三 種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。本系統(tǒng)采用了定頻調(diào)脈寬方式的 PWM 控制，因?yàn)椴捎?#160;這種方式， 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定； 并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制即可采用開(kāi)環(huán)控制,也可采用閉環(huán)控制。 與開(kāi)環(huán)控制相比,速度控 制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性：閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比,其性 

9、;能大大提高;理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率 （額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載 轉(zhuǎn)速之比）要小得多;當(dāng)要求的靜差率相同時(shí), 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。四、整個(gè)系統(tǒng)控制原理1、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容以及技術(shù)參數(shù): 1) 直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)； 2) 直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)； 3) 直流電機(jī)的加速； 4) 直流電機(jī)的減速；直流電機(jī)的速度控制分兩種方法，有電樞控制法和磁場(chǎng)控制法。比較兩種方法優(yōu)劣，對(duì)于磁場(chǎng)控制法，其控制功率較小，低速傳動(dòng)時(shí)易受到磁極飽和限制，而高速傳動(dòng)時(shí)又受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)

10、限制。所以磁場(chǎng)控制法并不合適，電樞控制法在電機(jī)調(diào)速中是比較常用的方法。直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的,但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子 部分,這兩部分間存在著一定大小的氣隙,使電機(jī)中電路和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn) 動(dòng).直流電機(jī)定子部分主要由主磁極,電刷裝置和換向極等組成,轉(zhuǎn)子部分 主要由電樞繞組,換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，電樞控制即在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在電機(jī)調(diào)速中廣泛使用，其中脈寬調(diào)制應(yīng)用廣泛。脈寬調(diào)速的概念是利用一個(gè)固定的頻率來(lái)控制電源的接通或斷開(kāi)，并通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，即改變直

11、流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)上圖，當(dāng)電動(dòng)機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為maxV，占空比為D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為：VD=Vmax*D，可見(jiàn)只要改變占空比D，就可以得 到不同的電機(jī)速度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2、對(duì)于PWM調(diào)速的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要考慮以下性能指標(biāo)：   （1）輸出電流和電壓范圍。它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)；   （2）效率。高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通 （

12、3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路。  （4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染，大電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)；   （5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到：無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。五、算法分析本設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的PWM控制，控制程序用C語(yǔ)言編寫(xiě),在仿真軟件Proteus上實(shí)現(xiàn)了PWM控制電路, 并設(shè)計(jì)了基于PWM方式的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制電路。 本設(shè)計(jì)主要使用的元器件有：AT89C51單片機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)

13、動(dòng)芯片L298?？刂瞥绦蛟O(shè)計(jì)有分軟件延時(shí)法和計(jì)數(shù)法。用軟件延時(shí)法的思路是：先計(jì)算占空比（t(1)/T），再由周期給電動(dòng)機(jī)通電M個(gè)單位時(shí)間t(0)，所以M= t(0)/ t(1)。再斷電S個(gè)單位時(shí)間，所以S= t(2)/ t(0)。改變了M和S的值，也就改變了占空比的值。而計(jì)數(shù)法的原理是：先計(jì)算單位延時(shí)個(gè)數(shù)M，作為定值存放于任意一個(gè)存儲(chǔ)單元中。等通電時(shí)，對(duì)通電單位的時(shí)間的次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，且與存儲(chǔ)器內(nèi)容相比較。若計(jì)數(shù)值和給定的值相等時(shí)，則使電動(dòng)機(jī)斷電，若不相等，則要輸出控制脈沖。 軟件采用定時(shí)中斷進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)按鈕

14、后執(zhí)行相應(yīng)的程序，根據(jù)P1.1的高低電平?jīng)Q定直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。根據(jù)加、減速按鈕，調(diào)整P1.1輸出高低電平的占空比，從而可以控制高低電平的延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而控制電壓的大小來(lái)決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。六、控制程序#include"reg52.h" /單片機(jī)頭文件sbit P1_0=P10; /脈沖輸出引腳sbit P1_1=P11; /按鈕1引腳sbit P1_2=P12; /按鈕2引腳unsigned char PWMH； /高電平脈沖個(gè)數(shù)unsigned char PWM; /PWM周期unsigned char COUNTER; /計(jì)數(shù)變量void K1CHECK(); /按鈕1處理

15、程序void K2CHECK(); /按鈕2處理程序void INTTO()interrupt1 /定時(shí)中斷0處理程序 COUNTER + +; /計(jì)數(shù)值加1 if(COUNTER!=PWMH)&&(COUNTER=PWM) /如果計(jì)數(shù)值不等于設(shè)定的高 /電平脈沖數(shù)，但計(jì)數(shù)值已到 /達(dá)周期數(shù) COUNTER=1; /計(jì)數(shù)器復(fù)位 p1_0=1; /P1.0為高電平 else if(COUNTER=PWMH) /如果計(jì)數(shù)值等于設(shè)定的高電平脈沖數(shù) P1_0=0; /P1.0變?yōu)榈碗娖絤ain() PWMH=0x02; /設(shè)置高電平脈沖數(shù) COUNTER=0x01; /計(jì)數(shù)初值 PWM

16、=0x15; /設(shè)置計(jì)數(shù)周期數(shù) TMOD=0X02; /定時(shí)器0在模式2下工作 TL0=0X38; /定時(shí)器每200us產(chǎn)生一次溢出 TH0=0X38; /自動(dòng)重裝的值 ET0=1; /使能定時(shí)器0中斷 EA=1; /使能總中斷 TR0=1; /開(kāi)始計(jì)時(shí) while(1) if(P1_1 = =0) K1CHECK(); /掃描KEY1，如果按下KEY1，跳轉(zhuǎn)到KEY1處理程序 if(P1_2 = =0) K2CHECK(); /掃描KEY2，如果按下KEY2,跳轉(zhuǎn)到KEY2處理程序 void K1CHECK() /按鈕1處理子程序 while(P1_1 = =0); /等待按鈕1放開(kāi) if(

17、PWMH! =PWM) /設(shè)定高電平數(shù)不等于周期數(shù) PWMH + + ; /設(shè)定高電平數(shù)加一 if(PWMH = =PWM) /如果設(shè)定高電平數(shù)等于周期數(shù) TR0 =0; /停止中斷處理 P1_0=1; /輸出保持為高電平 else TR0=1; /開(kāi)啟中斷處理 void K2CHECK() /按鈕2處理子程序 while(P1_2 = =0); /等待按鈕2放開(kāi) if(PWMH!=0x01) /設(shè)定高電平數(shù)不等于最小值 PWMH - -; /設(shè)定高電平數(shù)減一if(PWMH= =0x01) /設(shè)定高電平數(shù)等于最小值 TR0=0; /停止中斷處理 P1_0=0; /輸出保持為低電平 else T

18、R0=1; /開(kāi)啟中斷處理 七、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖八、仿真結(jié)果九、結(jié)論分析 從直流電動(dòng)機(jī)的控制要求出發(fā)，我們需要控制高電平輸出的個(gè)數(shù)，即在某個(gè)周期內(nèi)輸出高電平的比例，稱(chēng)為PWM占空比。PWM占空比越大，電動(dòng)機(jī)獲得的能量就越大，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)的越快。用單片機(jī)控制占空比的常用方法是用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，用定時(shí)器輸出固定的脈沖寬度，以此來(lái)計(jì)數(shù)，確定在某個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)按鈕，可以改變占空比。不斷按下按鈕1，使占空比不斷擴(kuò)大，直至全部為高電平，即為一條高電平線，不斷按下按鈕2，將使占空比不斷減小，直至全部為低電平，即為一條低電平線。在Proteus電路中加載程序運(yùn)行后，可以看到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，

19、點(diǎn)擊加速按鈕，占空比不斷加大，轉(zhuǎn)速也同步增加，有一定的滯后和慣性。點(diǎn)擊減速按鈕，占空比隨之減小，轉(zhuǎn)速也同步減小。十、心得體會(huì)在實(shí)習(xí)中，我們?cè)谥笇?dǎo)教師的幫助下，將所學(xué)知識(shí)和實(shí)習(xí)內(nèi)容相互結(jié)合、相互驗(yàn)證，并對(duì)一些實(shí)際問(wèn)題加以分析和討論。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)是我們重要的電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐課，因此培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力就顯得尤為重要。通過(guò)實(shí)習(xí)加深了我對(duì)課堂知識(shí)的理解，我也初步了解和掌握一般的電工電子工藝技能以及控制技術(shù)。  通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我確實(shí)是學(xué)到了很多知識(shí)，也拓展了自己的的視野。通過(guò)這一次的實(shí)習(xí)，也增強(qiáng)了我的動(dòng)手操作的能力。從實(shí)習(xí)的整個(gè)過(guò)程中，我認(rèn)識(shí)到自己的很多不足，比如

20、對(duì)以前學(xué)的知識(shí)都忘記了很多，對(duì)自己學(xué)過(guò)的知識(shí)還不能靈活的應(yīng)用到實(shí)際中。也就是對(duì)所學(xué)的知識(shí)掌握的不夠熟練。我們應(yīng)該隨時(shí)把學(xué)過(guò)的知識(shí)拿出來(lái)復(fù)習(xí)，提高自己的基礎(chǔ)知識(shí)和綜合應(yīng)用能力。并且也應(yīng)不斷培養(yǎng)我們的規(guī)范化的工作作風(fēng)，以及我們的團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)的精神。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過(guò)親自動(dòng)手設(shè)計(jì)程序，電路圖，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)

21、，本身就是在踐行“過(guò)而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，我更應(yīng)該從這次的實(shí)習(xí)中吸取經(jīng)驗(yàn)，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，給我很多專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及專(zhuān)業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門(mén)辯思課，給了我許多啟發(fā)，給了我很多思考，也給了我莫大的空間。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)讓我感觸很

22、深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。我認(rèn)為，在這學(xué)期的課設(shè)中，不僅培養(yǎng)了大家獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)習(xí)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國(guó)提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后變的更加成熟，會(huì)面對(duì)需要面對(duì)的事情。實(shí)習(xí)雖然只有短短的一周，但回顧起此次計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是

23、可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中遇到問(wèn)題，可以說(shuō)得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，也對(duì)大家的團(tuán)隊(duì)精神進(jìn)行了考察，讓我們?cè)诤献魃细幽?，在成功后一起體會(huì)喜悅的心情。果然是團(tuán)結(jié)就是力量，只有互相之間默契融洽的配合才能換來(lái)最終完美的結(jié)果。此次設(shè)計(jì)也讓我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及時(shí)請(qǐng)教或上網(wǎng)查詢(xún)，只要認(rèn)真鉆研，動(dòng)腦思考，動(dòng)手實(shí)踐，就沒(méi)有弄不懂的知識(shí)，收獲頗豐。十一、參考文獻(xiàn) 1 王清靈，龔幼民.現(xiàn)代礦井提升機(jī)電控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版，1996.1-6 2 Qing-Guo Wang.Partial Internal Model Control. IEEE Transactions on Indu