基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)——開題報(bào)告

1、西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題 目 基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)所 在 系 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名 XX 專 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí) 測(cè)控XXX學(xué)號(hào) XXXXX 指導(dǎo)老師 XXXXXX 教學(xué)服務(wù)中心制表2014年3月對(duì) 題 目 的 陳 述1.選題意義與國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，主要研究?jī)?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(dòng)一般都要求局部或全部的自動(dòng)化，因此必然要與各種控制元件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，而電力拖動(dòng)則可視為自動(dòng)化電力拖動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。在這一系統(tǒng)中可對(duì)生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行自動(dòng)控制。在如今的現(xiàn)實(shí)生活中，自動(dòng)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(dòng)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(jī)不如交流電機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、容易維護(hù)，但是它具有良好的起制動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(jī)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(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；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(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展速

3、度飛快，以計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的信息技術(shù)作為一嶄新的生產(chǎn)力，正向社會(huì)的各個(gè)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(shì)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀直流電機(jī)脈沖寬帶調(diào)制（PulseWidthModulation簡(jiǎn)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(dòng)，例如自動(dòng)跟蹤天文望遠(yuǎn)鏡、自動(dòng)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(shí)又因出現(xiàn)了寬調(diào)速永磁直流電機(jī)，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(dòng)技術(shù)推進(jìn)到一個(gè)新的高度。在國(guó)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)的需求。近十年來，進(jìn)一步擴(kuò)散到民用工

4、業(yè)，特別是在機(jī)床行業(yè)、自動(dòng)生產(chǎn)線及機(jī)器人等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。如今，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的趨勢(shì)更為明顯，促使電機(jī)控制技術(shù)以更快的速度發(fā)展著。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，客戶對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制要求越來越高，希望它的功能更強(qiáng)、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(shí)還要求馬達(dá)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(yán)格環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入世紀(jì)后，可以預(yù)期新的更高性能電力電子器件還會(huì)出現(xiàn)，已有的各代電力電子元件還會(huì)不斷地改進(jìn)提高。1.3主要研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方法本課題設(shè)計(jì)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(jī)開發(fā)平臺(tái)之上，運(yùn)用匯編語言匯編控制。由定時(shí)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(shí)間，以達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。增加了系統(tǒng)的靈活性和精確性，使整個(gè)PWM脈沖的產(chǎn)生過程得到了大大的簡(jiǎn)化。本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為核心，以鍵盤作為輸入達(dá)到控制直流電機(jī)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(jì)中，采用了PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。任務(wù)要求如下(1) 、直流電機(jī)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(shí)時(shí)顯示直流電機(jī)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和結(jié)果分析(6)、用相關(guān)語言進(jìn)行軟件編程(7)、利用Proteus軟件設(shè)計(jì)并驗(yàn)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(jī)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(jì)了驅(qū)動(dòng)電路的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)模型，利用Proteus軟件對(duì)各個(gè)子電路及整體電路進(jìn)行了仿真，確保設(shè)計(jì)的電路能夠滿足性能指標(biāo)要求，并給出了仿真結(jié)果。2.課題研究的方案設(shè)計(jì)（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(jī)工作原理(2)直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和增量式光電編碼器電路設(shè)計(jì)(3)按鍵控制和顯示電路的設(shè)計(jì) (4)用C語言進(jìn)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(jì)方法(1)直流電機(jī)原理的熟悉工作原理：電磁力定律 載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將會(huì)受到力的作用，若磁場(chǎng)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(chǎng)密度：導(dǎo)體長(zhǎng)度 ：電流 力的方向用左手定則確定。 (2)設(shè)計(jì)鍵盤控制和顯示電路 a、鍵盤控制 加入五個(gè)按鍵，分別控制步進(jìn)電機(jī)開/關(guān)和4個(gè)不同位置量(不同脈沖個(gè)數(shù)) b、顯示電路 運(yùn)用LCD顯示設(shè)定脈沖值、反饋脈沖值、實(shí)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(gè)外部中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。用片內(nèi)單片機(jī)定時(shí)器中斷方

8、式產(chǎn)生周期性脈沖柬控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，用另一個(gè)定時(shí)器反饋脈沖數(shù)。將欄序設(shè)計(jì)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(shí)、PID控制、驅(qū)動(dòng)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(jìn)行控制，此算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整。 增量式數(shù)字PID 的數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)各個(gè)子電路及整體電路進(jìn)行了仿真，確保設(shè)計(jì)的電路能夠滿足性能指標(biāo)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(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)研等)及解決辦法KEILC和Proteus軟件、計(jì)算機(jī)4、 系統(tǒng)流程圖如下：3.主要進(jìn)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(shí)；撰寫開題報(bào)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(jì)的方案和思路。第35周：設(shè)計(jì)各單元電路；選擇適當(dāng)?shù)碾娐?；并?duì)其參

10、數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真；用PROTEUS畫電路圖。第67周：根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì)并制作PCB印制電路；在面包板上搭實(shí)驗(yàn)電路；并對(duì)器件進(jìn)行組合和安裝。第89周：對(duì)電路進(jìn)行仔細(xì)地調(diào)試和測(cè)試；記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果；針對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，修改問題、提高性能；并完成外文資料翻譯。第1011周：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行整理和總結(jié)；并整理本次設(shè)計(jì)的所有相關(guān)資料。第1215周：根據(jù)所搜集到的相關(guān)知識(shí)和文獻(xiàn)資料及整個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；論文答辯；以及制作PPT等。 4.參考文獻(xiàn)目錄【1】系列單片機(jī)及程序設(shè)計(jì)王建校，楊建國(guó)，寧改娣，危建國(guó)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(cè)試技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jì)與實(shí)踐王建校，張虹，金印彬編寫。輕印，2007【5】單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王建校，張虹編寫。輕印，2007【6】單片機(jī)C語言開發(fā)技術(shù) 龔運(yùn)新編著 清華大學(xué)出版社