基于PWM控制的直流电机自动调速系统设计 大功率直流电机调速系统设计.doc

课程设计 题 目： 大功率直流电机调速系统设计 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 0903 学 生： 和英哲 指导老师： 邱荣华 时 间： 2012/12/20 ~ 2013/1/8 目录 1 绪论 3 1.1 课题的研究背景和意义 3 1.2 本设计的主要内容 4 2 脉宽调制技术及其在直流电动机控制系统中的应用 5 2.1 直流电机 5 2.1.1 直流电机的构成和基本工作原理 5 2.1.2 直流电动机控制系统中的PWM控制器 10 2.2 无刷直流电动机控制系统中的PWM控制器 11 2.3 脉宽调制(PWM)变换器 13 2.3.1 双极式可逆PWM变换器 13 2.3.2 单极式可逆PWM变换器 16 2.4 PWM调制中的最佳开关频率计算 17 3 系统的硬件设计 18 3.1 单片机模块介绍 19 3.1.1 单片机晶振电路 22 3.1.2 单片机复位电路 22 3.2 AD转换模块 22 4 系统软件设计 26 4.1 系统总程序框图设计 26 4.2 电机转速测量程序设计 28 4.3PWM信号的单片机程序实现 30 结 论 31 参考文献 31 致 谢 33 1 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。 五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的 更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。 目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。 由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段[2]。 1.2 本设计的主要内容 本设计的主要任务是: 设计基于PWM方式的直流电动机调速系统的控制电路和控制程序。 本设计主要要求是:控制