直流脉宽调制调速系统控制器(2)

西南科技大学本科生毕业论文

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而电机调速系统一直是电机领域里研究的热点和重要的研究方向。而采用微机数字化控制,实现智能化将是电气传动发展的主要方向之一。从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。

采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平.直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动,制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求.由于微机具有较佳的性能价格比,所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用.近年来,尽管交流调速系统发展很快,但是直流电机良好的启动、制动性能,在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.

现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。

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1.2 课题研究的发展现状

从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。

随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。

随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。

随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。

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永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。

在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。

相信随着时代的发展和新技术的出现，将会使得电机调速控制的迈向一个新的台阶，调速控制更加精准、智能，也会使更多新产品不断涌现和普及。

1.3 论文的内容和组织结构

本论文主要介绍了直流电机PWM脉宽调速系统的原理和实现，直流电机 PWM 调速系统以 AT89S52 单片机为控制核心，由命令输入模块、LCD液晶显示模块及电机驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，定时不断给 L298 直流电机驱动芯片发送 PWM 波形， 完成电机正， 反转和急停控制； 同时单片机不停的将 PWM 脉宽调制占空比送到LCD液晶完成实时显示。

直流电机 PWM 控制系统的主要功能包括：实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停，能够很方便的实现电机的智能控制。主体电路：即直流电机 PWM 控制模块。这部分电路主要由 AT89S52 单片机的I/O 端口、定时计数器、外部中断扩展等控制直流电机的加速、减速以及电机的正转和反转，能够很方便的实现电机的智能控制。 其间是通过 AT89S52 单片机产生脉宽可调的脉冲信号并输入到 L298 驱动芯片来控制直流电机工作的。该直流电机 PWM 控制系统由以下电路模块组成：

A、输入部分：这一模块主要是利用带中断的独立式键盘来实现对直流电机的加速、减速以及电机的正转、反转和急停控制,以及对 PWM 占空比的 LCD液晶实时显

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示。

B、控制部分：主要由 AT89S52 单片机的外部中断扩展电路组成。直流电机PWM 控制实现部分主要由一些二极管、电机和 L298 直流电机驱动模块组成。

C、显示部分： LCD液晶显示部分，实现对 PWM 脉宽调制占空比的实时显示。

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第2章 PWM脉宽调制系统设计

2.1 PWM脉宽调制原理

脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator,简称PWM。是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。也就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。

图2-1 PWM信号

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