直流电动机调速系统
直流电动机调速系统
直流电动机调速系统的能耗分析
能效比
直流电动机的能效比通常较高，可以在较高的效率下运行，减少 能源浪费。
功率因数
直流电动机的功率因数较高，可以减少无功损耗，提高电网效率。
热效率
直流电动机的热效率也较高，可以在长时间运行下保持稳定的性 能。
直流电动机调速系统的稳定性分析
抗干扰能力
直流电动机的调速系统通常具有较强的抗干扰能力，可以在复杂 的工作环境下稳定运行。
直流电动机调速系统的调速性能
调速范围
直流电动机的调速范围通常较大，可以在较 宽的转速范围内实现平滑调节，满足不同工 况下的需求。
调速精度
直流电动机的调速精度较高，可以通过精确的控制 算法实现转速的精确控制，提高生产过程的稳定性 和产品质量。
动态响应
直流电动机的动态响应较快，可以在短时间 内达到稳定转速，满足动态负载变化的需求 。
输标02入题
调压调速是通过改变电枢电压来控制电动机的转速， 具有调节方便、平滑性好等优点，但调速过程中能量 损失较大。
01
03
串级调速是通过改变转子回路的电阻来控制电动机的 转速，具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节
范围较小且对电机结构有特殊要求。
04
调磁调速是通过改变励磁电流来控制电动机的转速， 具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节范围较 小。
系统调试
在系统集成完成后，进行全面的 调试，确保各部分工作正常，满 足设计要求。
性能测试
对系统的性能进行测试，包括调 速范围、动态响应、稳态精度等 指标，确保系统性能达标。
优化改进
根据测试结果和实际应用情况， 对系统进行必要的优化和改进， 提高系统的稳定性和可靠性。
04
非线性大作业—直流电动机调速系统的建模与控制系统的设计
3、PBH秩判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是，对矩阵A的所有特征值 均成立， （ ）或等价地表示为 ， 也即（SI-A）和B是左互质的。
4、PBH特征向量判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是A不能有与B的所有列相正交的非零左特征向量。也即对A的任一特征值，使同时满足 ， 的特征向量 。
所谓最优控制，就是根据建立的系统的数学模型，选择一个容许的控制规律，在一定的条件下，使得控制系统在完成所要求的控制任务时，使某一指定的性能指标达到最优值、极小值或极大值。本文利用线性二次型最优调节器(LQR）方法对移动高架吊车进行最优控制。控制目的是使移动高架吊车能在不平衡点达到平衡，并且能够经受一定的外加干扰[8]。
能控性的直观讨论：
从状态空间的角度进行讨论：输入和输出构成系统外部变量,状态为系统内部变量。能控性主要看其状态是否可由输入影响。每一个状态变量的运动都可由输入来影响和控制,由任意的始点到达原点,为能控,反之为不完全能控。具体来说就是指外加控制作用u(t) 对受控系统的状态变量x(t)和输出变量y(t)的支配能力，它回答了u(t)能否使x(t)和y(t)作任意转移的问题。
3.1.2能控性判据
我们利用线性系统的能控性判据来判断其能控性。
设线性定常系统状态方程为：
（1）
1、格拉姆矩阵判据
线性定常系统（1）为完全能控的充分必要条件是，存在时刻，使如下定义的格拉姆（Gram）矩阵 为非奇异。
其中，该判据的证明用到了范数理论中的矩阵范数，在此不再赘述。
2、秩判据
线性定常系统（1）为完全控的充分必要条件是 ，
2 直流电动机调速系统数学模型的建立
第4章 直流电动机调速控制系统
调速指标
静态调速指标
• 调速范围 • 静差率 • 调速范围与静差率的关系
动态调速指标
• 跟随性能指标 • 抗扰性能指标
单闭环直流调速系统
单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统
单闭环有静差调速系统
系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性
电动机转速与转矩的关系
如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct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。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示， 由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生 器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)， 为了控制锯齿波的线性度，使电容器Ｃ充电电流 恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。
电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调 速系统
交直流调速系统第一章 直流调速简介(第三版)
Id
－－负载电流引起的转速降
机械特性曲线
k Ra 机械特性曲线的斜率k值越小，特性的硬度越硬。
KeN
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电压越低，转速越低。
•特性硬，调速精度高， 最常用。
调压调速
3. 调速的平滑性： 调速平滑性是指调速时可以得到的相邻两转速之比，调速平滑性 接近于1的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。
1．什么是调速范围？什么是静差率？ 2．静差率是针对某一条机械特性定义的，调速系统的静 差率指的是什么？ 3．静差率与硬度有什么区别和联系？
2020/4/14
解： 得
2020/4/14
•电压降低，n0减小
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。
•额定转速以下调速，且 电阻越大，转速越低。
串电阻调速
•特性软，调速精度低， 一般不采用。
•理想空载转速n0不变。
2020/4/14
二、直流电机的调速方法及其特点
2020/4/14
调速系统的稳态性能指标
一个好的调速系统应具有较大的调速范围和较小的静差率！
(4)静差率与调速范围的关系 Nhomakorabeas nN ， n0 min
则
n0 min
nN s
D
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1 snN
D nN
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nmin n0 min nN
nN
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nN
snN
1 s nN
2020/4/14
晶闸管—直流电动机调速系统
7.1晶闸管—直流电动机调速系统采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。
这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。
可以图7-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。
直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。
如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。
为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。
这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。
8.1.1 电流连续时如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图7-2所示。
图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。
由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值（7-1）式中U为电源相压有效值，为移相触发角。
电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。
再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。
电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。
这样，根据图7-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为（7-2）式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。
求出电机转速为（7-3）可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。
当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。
自动控制技术第三章 直流调速系统
第三章 直流调速系统
与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比， 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有 很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的 优越性。由图可见，晶闸管可控整流器的功率 放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶 体三极管来控制，不再像直流电动机那样需要 较大功率放大装置。在控制作用的快速性方面， 变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级， 这将会大大提高系统的动态性能。
直流斩波器的控制方式 b）脉冲频率调制
第三章 直流调速系统
用全控式器件实行开关控制时，多用脉冲宽度调制的控制方式，形成近年来 应用日益广泛的PWM装置—电动机系统，简称PWM调速系统或脉宽调速系统。
直流斩波器的控制方式 c）两点式控制
第三章 直流调速系统
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点： （1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就足以 获得脉动很小的直流电流，电枢电流容量连续，系统的低速运行平稳，调速范围 较宽，可达1∶10 000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即 相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。 （2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电动机相配合，系统可以获得很 宽的频带，因此快速响应性能好。动态抗干扰能力强。 （3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 因受到器件容量的限制，直流PWM调速系统目前只用于中、小功率的系统。
在静止可控整流方面，离子拖动系统是最早应用的静止变流装置供电的直流 调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还缩短了响应时间，但 汞弧整流器造价较高，维护麻烦，特别是水银如果泄漏，将会污染环境，危害人 体健康。
直流调速工作原理
直流调速工作原理
直流调速工作原理是基于电动机的转速和转矩特性来实现的。
直流调速系统主要由直流电源、整流器、调速器和电动机组成。
首先，直流电源将交流电转换为直流电，提供给整流器。
整流器负责将直流电源输出的电流进行整流，将其转换为单向的直流电流。
调速器是直流调速系统的核心部分，它通过调节输入到电动机的电压和电流来控制电动机的转速和转矩。
调速器通常采用脉宽调制（PWM）技术，即通过控制开关器件的开关时间比例
来改变电源向电动机供电的电压和电流。
当调速器调节电动机的电压和电流，电动机的转速和转矩也会相应改变。
这是因为电动机的转矩与电流成正比，转速与电压成正比。
通过改变调速器的控制信号，可以实现对电动机转速和转矩的精确控制。
直流调速系统的优点是具有较好的响应性能和可靠性，能够实现较宽范围的转速和转矩调节。
它广泛应用于需要精确调速和转矩控制的领域，如各种机械设备、风电、电动车等。
同时，也可以通过增加反馈控制回路，进一步提高调速系统的稳定性和精确度。
直流电机调速系统实验
第一章直流电机调速系统实验实验一单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。
(3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“转速变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U ct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。
电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。
这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压U ct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。
同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。
当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
直流电动机的调速方法
直流电动机的调速方法直流电动机是一种常见的电动机，广泛应用于工业生产和家用电器中。
在实际应用中，往往需要对直流电动机进行调速，以满足不同工况下的需求。
下面将介绍几种常见的直流电动机调速方法。
一、电压调制调速。
电压调制调速是通过改变电动机的供电电压来实现调速的方法。
当电动机的供电电压改变时，电动机的转速也会相应地改变。
这种方法简单易行，成本低廉，但是调速范围有限，且效果不够理想。
二、串联电阻调速。
串联电阻调速是通过串联电阻来改变电动机的电枢电流，从而实现调速的方法。
串联电阻越大，电动机的电枢电流越小，转速也会相应地减小。
这种方法调速范围较大，但是效率较低，且需要考虑电阻的散热和功率损耗的问题。
三、场励调速。
场励调速是通过改变电动机的励磁电流来实现调速的方法。
当励磁电流增大时，磁场增强，电动机的转速也会增大。
这种方法调速范围广，效率较高，但是需要专门的励磁设备和控制系统。
四、PWM调速。
PWM调速是通过改变电动机的供电脉冲宽度来实现调速的方法。
通过控制开关器件的导通时间，可以改变电动机的平均电压，从而实现调速。
这种方法调速范围广，效率高，但是需要专门的PWM控制器和反馈系统。
五、变频调速。
变频调速是通过改变电动机的供电频率来实现调速的方法。
通过变频器控制电源的频率，可以实现电动机的调速。
这种方法调速范围广，效率高，但是设备成本较高。
综上所述，直流电动机有多种调速方法，每种方法都有其适用的场合和特点。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的调速方法，以实现最佳的调速效果。
希望本文对直流电动机的调速方法有所帮助。
晶闸管整流直流电动机调速系统
晶闸管整流直流电动机调速系统设计概述：许多机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用最广泛的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
本此设计主要：就是针对直流调速装置，利用晶闸管相控整流技术，结合集成触发器芯片和调节器，组成晶闸管相控整流直流电动机调速系统，主要应用的芯片是TCA785集成移相触发控制芯片，实现调速系统。
同时设计出完整的电气原理图，将分别介绍各个模块的构成原理和使用方法。
关键词：双闭环直流调速晶闸管相控1 设计意义及要求1.1 设计意义电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电半导器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制装置。
通过此次课程设计要求学会电力电子装置的设计，能够利用相控整流装置对直流电动机进行调速系统的设计。
1.2 设计要求本次课程设计的题目是晶闸管相控整流直流电动机调速系统设计。
已知直流电动机参数：N P =3KW ，N U =220V ，N I =17.5A ，N n =1500min r 。
要求采用集成触发器及调节器构成转速电流闭环的直流调速系统。
设计绘制该系统的原理图，并计算晶闸管的额定电压和额定电流。
2 系统电路设计根据设计的要求，可将设计分为两大部分，一是主电路及系统原理图，二是控制电路，系统原理图部分我们采用的是三相全控整流装置，在这里我们使用三个TCA785芯片以便满足设计的要求，同时要加入转速电流双闭环系统，更好的实现调速的要求，达到稳定的速度效果。
电路原理总图见附录。
2.1 系统主电路 晶闸管相控整流电路有单相、三相、全控、半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路，如图1所示。
直流电动机双闭环调速系统MATLAB仿真实验报告
直流电动机双闭环调速系统MATLAB仿真实验报告
实验目的：
本实验旨在设计并实现直流电动机的双闭环调速系统，并使用MATLAB进行仿真实验，验证系统的性能和稳定性。
实验原理：
直流电动机调速系统是通过改变电机的输入电压来实现调速的。
双闭环调速系统采用了速度环和电流环两个闭环控制器，其中速度环的输入为期望转速和实际转速的误差，输出为电机的电流设定值；电流环的输入为速度环输出的电流设定值和实际电流的误差，输出为电机的输入电压。
实验步骤：
1.建立直流电动机的数学模型。
2.设计速度环控制器。
3.设计电流环控制器。
4.进行系统仿真实验。
实验结果：
经过仿真实验，得到了直流电动机双闭环调速系统的性能指标，包括上升时间、峰值过渡性能和稳态误差等。
同时，还绘制了调速曲线和相应的控制输入曲线，分析了调速系统的性能和稳定性。
实验结论：
通过对直流电动机双闭环调速系统的仿真实验，验证了系统的性能和
稳定性。
实验结果表明，所设计的双闭环控制器能够实现快速且稳定的直
流电动机调速，满足了实际工程应用的需求。
实验心得：
本实验通过使用MATLAB进行仿真实验，深入理解了直流电动机的双
闭环调速系统原理和实现方式。
通过实验，我不仅熟悉了MATLAB的使用，还掌握了直流电动机的调速方法和控制器设计的原则。
同时，实验中遇到
了一些问题，比如系统的超调过大等，通过调整控制器参数和优化系统结
构等方法，最终解决了这些问题。
通过本次实验，我对直流电动机调速系
统有了更加深入的理解，为之后的工程应用打下了坚实的基础。
直流调速的工作原理
直流调速的工作原理
直流调速是一种通过改变电机电源电压来实现转速控制的方法。
该方法通过调节电机的电源电压来改变电机的转速，从而实现对电机的调速要求。
直流调速系统由一个直流电动机、一个功率控制器和一个速度反馈回路组成。
功率控制器负责根据输入的转速指令和实际转速信号来计算出电机所需的电压，然后将这个电压通过调节器输出给电机的电源。
在直流调速系统中，电动机通过电枢和励磁线圈两个磁场相互作用来产生转矩。
当电机接受到一定电压时，电动机的转矩和电磁势联动，从而产生转速。
当电机的电源电压增加时，电机的转速也会相应增加。
反之，当电机的电源电压减小时，电机的转速也会下降。
为了实现调速，系统需要通过速度反馈回路来监测电机的实际转速，并将其与设定的转速进行比较。
根据比较的结果，功率控制器会调节输出给电机的电压，使得电机的实际转速逐渐接近设定的转速。
在直流调速系统中，常见的功率控制器有电阻调速、电压调速和电流调速等方法。
通过调节电机的电源电压，可以实现对电机转速的精确控制，满足不同工况下的要求。
同时，直流调速系统还具有响应快、调速范围广和控制精度高等优点，广泛应用于各个领域的工业控制中。
第五章 直流电动机调速控制系统
结论：调速系统只要在调速范围的最低 工作转速时满足静差率要求，则其在整个调 速范围内都会满足静差率要求。
图5-5 不同转速下的静差率
3. 调速范围与静差率的关系 静差率和调速范围必须同时考虑才有意义，由各自的 定义式可知：提调速范围时，任何系统的调速范围都可以 很大；而单提静差率，大多数系统也会较容易满足。 对同一个系统 ，有：
nnom S n0nin
nnom (1 S )nnom nmin n0 min nnom nnom S S
由调速范围（对于调压调速
nmax nnom ），
n D max nmin
nnom nmin
将上页的 nmin 表达式代入本式，得
nnomS D nnom(1 S )
其中，调速范围D、静差率S取决于生产加工工艺要求 ，是无法变更的。为使上式成立，只能设法减少额定负载下 的转速降落。 无反馈控制的开环调速系统，额定负载下的转速降落值为：
n nom I dnom R Ce
其中，R是电枢回路总电阻，为系统固有参数， Idnom是对 应额定负载时的电流，也是固定的。所以，一般开环系统无 法满足一定调速范围和静差率性能指标要求。
如果在负载增加的同时设法增大系统的给定电压 Un，就会使电动机电枢两端的 电压Ud增大，电动机的转速就会升高。若Un增加量大小适度，就可以使因负载增加 而产生的 n被Ud升高而产生的速升所弥补，结果会使转速n接近保持在负载增加前 的值上。 这样，既能使系统有调速能力，又能减少稳态速降，使系统具有满足要求的调 速范围和静差率。 系统组成如图 我们可以在与调速电动机 同轴接一测速发电机TG，这 样就可以将电动机转速 n 的大 小转换成与其成正比的电压信 号Un，把Un与Un相比较后， 去控制晶闸管整流装置以控制 电动机电枢两端的电压Ud就 可以达到控制电动机转速 n 的 目的。
直流电机调速控制系统设计
成绩电气控制与PLC课程设计说明书直流电机调速控制系统设计.Translate DC motor speed Control system design学生王杰学号学院班级信电工程学院13自动化专业名称电气工程及其自动化指导教师肖理庆2016年6月14日目录1 ××11.1 ××××××11.1.1 ××××错误!未定义书签。
1.1.2 ××××1……1.2 ××××××11.2.1 ××××8……2 ×××××82.1 ××××××102.1.1 ××××10……3 ×××××123.1 ××××××123.1.1 ××××12……参考文献13附录14附录114附录2141 直流电机调速控制系统模型1.1 直流调速系统的主导调速方法根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的电枢电压的平衡方程为：R I E U a +=式(1.1)公式中：U 为电枢电压；E 为电枢电动势；R I a 为电枢电流与电阻乘积。
由于电枢反电势为电路感应电动势，故：n C E φe =式(1.2)式中：e C 为电动势常数；φ为磁通势；n 为转速。
由此得到转速特性方程如下：φe a C R I U /)(n -=式(1.3)由式（1.3）可以看出,调节直流电动机的转速有以下三种方法：1.改变电枢回路的电阻R ——电枢回路串电阻调速。
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创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计目录目录 (1)1 引言 (2)1.1 设计背景 (2)1.2 系统可实现的功能 (2)2 总体方案设计 (3)2.1 单片机选型方案 (3)2.2 转速测量方案选择 (4)2.3直流电机驱动电路介绍 (5)2.4 PWM调宽方式的选择 (6)2.5键盘的选择 (6)2.6整体方案设计框图 (6)3 硬件电路设计 (7)3.1 系统的整体硬件框图 (7)3.2 按键模块电路设计 (7)3.3数码管显示模块电路设计 (8)4系统软件设计 (10)4.1 PWM输出程序设计 (10)4.2 数字PID算法程序设计 (11)4.3速度采集模块程序设计 (12)4.4 按键设定程序设计 (13)4.5 速度显示模块程序设计 (15)5 总结 (16)6参考文献 (17)附录A系统原理图 (18)1 引言1.1 设计背景现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。
改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。
本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
1.2 系统可实现的功能设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。
2 总体方案设计2.1 单片机选型方案1.Intel公司的8051系列美国的Intel公司是最早的MCU生产商。
Intel公司于1979年推出的MCS-51奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，8051系列是最早最典型的8位微控制器。
2.Freescale公司的MC系列Freescale半导体公司是世界上最大的微控制器厂商，其产品特点是品种齐全，选择余地大，新产品多，多年来一直雄居高可靠微控制器销量总量榜首。
Freescale公司开发了众多的8位、16位和32位微控制器品种。
其微控制器的特点之一是在同样的总线速度下所有的外部时钟较8051类微控制器低得多，因而使得高频噪声降低，抗干扰能力增强，更适于工业测控和汽车电子的恶劣环境。
3.Microchip公司的PIC系列Microchip公司的PIC系列微控制器，是1996年以来技术发展非常迅速、市场份额增长最快的微控制器。
目前，它的主要产品是PIC16C/F系列和18C/F 系列的8位机，PIC24/30/33系列的16位机。
PIC系列微控制器采用RISC系统和Harvard双总线结构，运行速度快，工作电压宽，低功耗，较高的输出驱动能力，价格低，体积小，可一次编程或多次编程。
Freescale半导体公司的8位S08微控制器有以下特点：①技术成熟、高可靠、高性能、抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富，且种类齐全，选择余地大，新产品多；②开发技术先进且费用低廉，可提供免费得集成开发环境和开发调试器；③支持C高级语言开发，并进行了硬件和软件优化，效率较高；④可平滑的完成从8位MCU到32位MCU核心的转移，他们的引脚兼容，开发环境不变。
虽然51单片机较其他单片机略显劣势，但是51单片机的开发现在是最成熟的一款单片机了，而且价格相对较低，经济而稳定性好，结合本人的喜好，本次设计选择51单片机作为本次设计的控制器。
2.2 转速测量方案选择测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。
要测速，首先要解决是采样的问题。
在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。
使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。
只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。
方案一：采用霍尔传感器测速霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。
如图1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。
图2.1 CS3020外形图使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。
如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。
在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。
这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
方案二：采用编码盘和光电耦合器测速经比较，方案一虽然安装和接线都相对简单，但是对于本次学习性创新设计而言并不经济，所以本次设计采用方案二。
2.3直流电机驱动电路介绍主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-4工作电压方式：直流工作电压：信号端 4~6V、控制端 5~36V调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。
特点：1、可实现电机正反转及调速。
2、启动性能好，启动转矩大。
3、工作电压可达到36V，4A。
4、可同时驱动两台直流电机。
5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。
用L298驱动两台直流减速电机的电路。
引脚A，B可用于PWM控制。
如果机器人项目只要求直行前进，则可将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接高电平和低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM信号控制A，B即可实现直行、转弯、加减速。
本次设计只用一个电机。
电机驱动电路如图2.2所示：图2.2 电机驱动电路2.4 PWM调宽方式的选择调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频。
本设计采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定;井且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
PWM软件实现方式有两种:1.采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个Us。
2.采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用软件延时方式。
2.5键盘的选择本设计中键盘主要用于参数的输入。
将采用采用独立式键盘直接与单片机进行连接。
这种方法结构简单，对于少数量的键盘来说比较适合。
2.6整体方案设计框图整体方案设计框图如图2.3所示：图2.3 整体方案设计框图3 硬件电路设计3.1 系统的整体硬件框图本设计系统以51单片机作为电动机控制的核心，系统包括主控模块51单片机，显示模块，键盘模块，电源模块以及电动机驱动模块。
系统的整体框图如图3.1所示：图3.1 系统的整体硬件框图3.2 按键模块电路设计共设置四个按键，对应的功能分别为：S1:功能选择按钮S2：数值增1按钮S3：数值减1按钮S4：确认按钮对应的硬件接线原理图如图3.2所示：图3.2 按键模块硬件连接电路图3.3数码管显示模块电路设计数码管显示电路硬件接线连接图如图3.3所示：图3.3 数码管显示硬件连线图4系统软件设计4.1 PWM输出程序设计利用AT89C52单片机中的定时器0和定时器1分别产生相应的高低电平延时，并在一定的总周期下，通过改变计数初值改变高或低电平的保持时间来实现改变占空比，从而实现PWM波的不同占空比输出，进而改变电动机的电枢电压，实现调速。
#define A 3000 //设置PWM的频率#define n 50 //设置PWM的占空比n/100//下面是对定时器0和定时器1的初始化程序void timer_init(){TMOD = 0x11;TL0 = (65535 - A) & 0xFF;TH0 = (65535 - A) >> 8;TL1 = (65535 - A) & 0xFF;TH1 = (65535 - A) >> 8;ET0 = 1;ET1 = 1;EA = 1;TR0 = 1;}//定时器0和定时器1实现PWM波输出，输出口是P1.0口（可改变）void timer0_ISR() interrupt 1{TL0 = (65535 - A) & 0xFF;TH0 = (65535 - A) >> 8;n1 ++;if(n1 == (100 - n)){n1 = 0;TR0 = 0;DB1 = 0;TR1 = 1;}}void timer1_ISR() interrupt 3{TL1 = (65535 - A) & 0xFF;TH1 = (65535 - A) >> 8;n2 ++;if(n2 == n){n2 = 0;TR1 = 0;DB1 = 1;TR0 = 1;}}4.2 数字PID算法程序设计系统控制可以选用模拟控制和数字控制两种方式，比较之下，数字控制系统结构简单并且能够实现较复杂的控制规律，从而达到精确控制被控对象的目的。
本次设计选用数字控制的方法，以AT89C52为核心，用程序实现PID控制规律控制被控对象。
PID控制不需要了解被控对象的数学模型，只需要根据经验调整控制器参数，便可获得满意的结果。
计算机进入控制领域后，用计算机实现PID控制，把PID控制规律进一步与计算机的强大运算能力、存储能力和逻辑判断能力结合起来，使PID控制更加灵活，参数整定和修改更为方便，更能够满足对控制系统提出各种各样的要求。
增量式PID算法表达式为：△u(k)=Kp*（e(k)-e(k-1)）+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2))采用PI控制，即Kd=0。