基于51单片机的PWM直流电机调速系统设计——开题报告

西安交通大学城市学院本科毕业设计（论文）开题报告题目基于51单片机的PWM直流电机调速系统设计所在系电气与信息工程系学生姓名XX专业测控技术与仪器班级测控XXX学号XXXXX指导老师XXXXXX教学服务中心制表2014年3月对题目的陈述1.选题意义与国内外研究现状，主要研究内容及技术方法1.1选题的研究目的及意义现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。在这一系统中可对生产机械进行自动控制。在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和GBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高、电流容易连续、谐波少、电机损耗和发热都较小；低速性能好、稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态、导通损耗小、装置效率较高。近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。1.2国内外研究现状直流电机脉冲宽带调制（PulseWidthModulation――简称PWM）调速系统产生于７０年代中期。最早用于不可逆、小功率驱动，例如自动跟踪天文望远镜、自动记录仪表等。近十多年来，由于晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，同时又因出现了宽调速永磁直流电机，它们之间的结合促使PWM技术的高速发展，并使电气驱动技术推进到一个新的高度。在国外，PWM最早是在军事工业以及空间技术中应用。它以优越的性能，满足那些高速度、高精度随动跟踪系统的需求。近十年来，进一步扩散到民用工业，特别是在机床行业、自动生产线及机器人等领域中广泛应用。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促使电机控制技术以更快的速度发展着。随着市场的发展，客户对电机驱动控制要求越来越高，希望它的功能更强、噪声更低、控制算法更复杂，而可靠性和系统安全操作也摆上了议事日程，同时还要求马达恒速向变速发展，还要符合全球环保法规所要求的严格环境标准。进入２１世纪后，可以预期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。1.3主要研究内容及技术方法本课题设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件，H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言汇编控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。本设计以51单片机为核心，以键盘作为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。任务要求如下(1)、直流电机的转速范围：1～1000转/秒(2)、用PWM波调速(3)、调速精度：1转(4)、可实时显示直流电机的转速，设定转速后可快速变化到设定转速(5)、对系统进行测试和结果分析(6)、用相关语言进行软件编程(7)、利用Proteus软件设计并验证直流电路的调速控制可行性分析：本课题通过介绍直流电机的工作原理和数学模型、脉宽调制控制原理和H桥电路基本原理设计了驱动电路的总体结构，根据模型，利用Proteus软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。2.课题研究的方案设计（方法、手段、技术路线、可行性论证)2.1.技术路线(1)直流电机工作原理(2)直流电动机的驱动电路和增量式光电编码器电路设计(3)按键控制和显示电路的设计(4)用C语言进行软件编程(5)在Proteus环境下完成系统的硬件电路和仿真2.2.设计方法(1)直流电机原理的熟悉工作原理：电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：f=B·Ｉ·Ｌ其中，B:磁场密度Ｌ：导体长度Ｉ：电流力的方向用左手定则确定。(2)设计键盘控制和显示电路a、键盘控制加入五个按键，分别控制步进电机开/关和4个不同位置量(不同脉冲个数)b、显示电路运用LCD显示设定脉冲值、反馈脉冲值、实际位置值(3)C语言软件编程系统采用语言模块化结构。在KEILC环境下编写微控制器程序，AT89C52内部含有2个外部中断口，3个16位可编程定时计数器。用片内单片机定时器中断方式产生周期性脉冲柬控制步进电机转动步数，用另一个定时器反馈脉冲数。将栏序设计戚三部分:主循环栏序、中断服务子程序以及其他相应服务子程序(包括键盘、LCD显示、延时、PID控制、驱动于程序)。在连续控制过程中，采用增量式数字PID程序对脉冲输出进行控制，此算法结构简单，参数易于调整。增量式数字PID的数学表达式为△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=KPKD/T式中KP———比例系数；T———采样周期；TD———微分周期；TI———积分周期；KI———积分系数,KI=KPT/TI；KD———微分系数，KD=TD/T。（4）在Proteus环境下系统的硬件电路和仿真利用Proteus软件对各个子电路及整体电路进行了仿真，确保设计的电路能够满足性能指标要求，并给出了仿真结果。完成本课题所需的工作条件(如工具书、计算机、实验、调研等)及解决办法KEILC和Proteus软件、计算机4、系统流程图如下：3.主要进度安排第1—2周：查阅并搜集相关资料；熟悉相关软件（Proteus,vision等画图工具）的使用；复习模电、数电等电路方面的相关知识；撰写开题报告，并反复的加以修正；通过分析已有的系统及相关资料，确定本次毕业设计的方案和思路。第3—5周：设计各单元电路；选择适当的电路；并对其参数进行设计、计算和仿真；用PROTEUS画电路图。第6—7周：根据电路原理图设计并制作PCB印制电路；在面包板上搭实验电路；并对器件进行组合和安装。第8—9周：对电路进行仔细地调试和测试；记录实验数据及结果；针对结果进行分析，修改问题、提高性能；并完成外文资料翻译。第10—11周：对实验数据及结果进行整理和总结；并整理本次设计的所有相关资料。第12—15周：根据所搜集到的相关知识和文献资料及整个设计的实验过程及结果撰写毕业设计论文；论文答辩；以及制作PPT等。4.参考文献目录【1】《５１系列单片机及Ｃ５１程序设计》王建校，杨建国，宁改娣，危建国编著。北京：科学出版社，2002【2】《数字电子技术基础》张克农主编高等教育出版社，2003【3】《现代测试技术及系统设计》申忠如等编著西安交通大学出版社，2006【4】《电子系统设计与实践》王建校，张虹，金印彬编写。轻印，2007【5】《单片机实验指导书》王建校，张虹编写。轻印，2007【6】《单片机C语言开发技术》龚运新编著清华大学出版社，2006学生（签名）：年月日对开题报告的审查意见指导教师意见：综述写作较为认真，所述方案可以实现，可以达到毕业设计要求。指导教师（签名）：金印彬2014年3月28日专业审查意见：（主要对题目难度、工作量、准备工作、方案设计给出评价）负责人（签名）：年月日系审批意见：负责人（签名）：年月日