基于单片机的直流电机PWM调速系统毕业论文.doc

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1、 毕业设计（论文）题 目： 基于单片机的直流电机PWM调速系统 系 （部）： 机械电子工程系 专业班级： 数控09-1 姓 名： 学 号： 指导教师： 2012年 5月 23 日基于单片机的直流电机PWM调速系统摘 要本课题设计是以51系列单片机为控制核心，系统产生占空比由数字PID算法控制的PWM脉冲信号实现对直流电机的供电电源进行控制从而达到调速目的。同时利用光电编码器将电机转速转换成脉冲信号反馈到单片机中，形成转速闭环控制系统，实现转速无静差的调速系统设计。人机界面采用12864LCD显示器显示电机当前的参数、正反转状态、转速以及运行时间；通过44键盘实现：数字PID参数设置、速度、电机

2、正反转、加速、减速、启动、停止。关键字 数字PID；无静差调节；PWM脉冲DC motor PWM speed control system based on MicrocontrollerABSTRACTThis thesis design is 51 series microcontroller as control core，the system produces PWM impulse whose duty ratio is controlled by digital PID arithmetic to control the power of DC motor,to make sur

3、e the running of DC motors rotate speed. At the same time the design uses photoelectric sensor to transduce the electromotor speed into impulse frequency and feed it back to microcontroller as speed closed loop control system to attain the purpose of rotate speeds astatic modulation.In this system ,

4、 12864LCDdisplay shows the current parameters of the motor、the direction of rotation、speed and Running time. Through the 44 keyboard realized: digital PID parameters settings、the direction of rotation settings、speed setting、start and stop.KEY WORDS digital PID; astatic modulation; PWM impulse目录摘 要II

5、ABSTRACTIII目录IV前言11调速系统总体设计211系统总体设计说明212系统总体设计框图22调速系统的硬件电路的设计与原理321基于单片机的电机控制设计3211 单片机简介3212 单片机在电机控制方面的应用522电机驱动电路设计5221 驱动电路原理介绍5222 驱动电路的专用芯片选用及设计7223 调速系统驱动电路设计及分析823电机转速采集电路设计9231 速度采集的原理及方法9232电机转速采集电路设计1024显示模块设计10241 显示模块的原理与方法10242 显示模块电路设计1225键盘输入模块设计12251键盘输入模块的原理与方法12252 键盘输入模块电路设计133

6、调速系统数字部分的设计与原理1331 PID控制器13311 PID控制的原理与方法13312 数字PID算法的实现1632 数字测速模块17321 数字测速模块的设计思想与算法17322 数字测速系统流程图1833 12864LCD显示模块18331 12864LCD显示器的控制方法18332 12864LCD显示器的显示子程序流程图2034 行列式键盘输入模块20341 行列式键盘输入模块的设计思想20342 行列式键盘输入模块的程序流程图2135 PWM调速方法设计21351对PWM控制的介绍21352 PWM脉冲的产生24353 PWM脉冲产生模块的程序流程图254总结与展望25参考文

7、献26致谢40前言随着生产需求的日新月异，我们对控制系统的要求也越来越高。而对生产而言，电机调速是人们一直在研究的课题。直到目前为止，电机调速方法十分多样、普遍。其中，对直流电机转速的控制方法可分为两类：励磁控制与电枢电压控制。励磁控制调速法是通过控制磁通，从而控制电机转速。这类方法，控制功率小；转速较低时，收到磁饱和的限制；当转速较高时，收到换向火花和换向器结构强度的限制；而且，由于励磁线圈存在较大电感，导致了系统动态响应较差。所以，此法应用较少。电枢电压控制方式也可分为两种：一为调节电压，二为调节电流。过去传统的调速系统是采用模拟电子电路来实现其功能，这种电路优势在于响应快，但是灵活性较差

8、，难易维修。然而单片机作为一种可编程控制器，已经得到成熟的应用。而且基于单片机的直流电机调速系统已经得到广泛的关注，且已有多样的成果。单片机具有性能高、体积小、速度快、稳定可靠、经济、应用广泛、高通用性等优点。随着单片机性能的日益提高与完善，与此同时，电子电力器件及驱动技术也更加成熟，在前者的基础上，伴随着PWM控制技术及电机控制技术的发展，PWM技术在电机驱动控制中的应用逐渐受到人们更多的关注。由于PWM控制技术的控制简单、灵活和较好的动态响应等优点，而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。PWM控制的基本思想很早就已被提出，但受制于电力电子器件的发展水平，在上世纪80年代之前一直未能得到实

9、现。直到迈进上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅猛发展，PWM控制技术终于得到了真正的实现与应用。随着电力电子技术、自动控制技术以及微电子技术的发展以及各种新的控制理论方法的提出，如现代控制理论、非线性系统控制思想等。PWM控制技术获得了空前发展。到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。在如此多样的PWM控制技术中SPWM控制技术是其中最为成熟的控制方法，而本课题也将采用此种控制方法。在运动控制系统中，电机的转速控制是一个至关重要的领域。它的控制手段、算法和方法很多样，作为最早发展起来的控制策略，模拟PID控制长期以来形成了典型的结构，并且在参数整定较方便，能够满足一般控制的要求

10、。但其缺点是一旦参数整定完毕后，在整个控制过程中将无法改变，然而在实际应用中，由于现场的系统参数、环境温度、湿度等客观条件都会发生变化，这样就是的控制系统难易达到最佳的控制效果。随着计算机技术和终能控制理论的逐步发展，以软件实现的数字PID控制技术逐渐发展起来。数字PID控制技术不但能完成模拟PID的控制任务，而且控制算法灵活、可靠性高，所以应用面越来越广。本课题设计是以51系列单片机为控制核心，产生占空比由数字PID算法控制的PWM脉冲信号实现对直流电机转速的控制。同时利用光电编码器将电机转速转换成脉冲信号反馈到单片机中，形成转速闭环控制系统，以达到转速无静差调节。人机界面采用12864LC

11、D显示器显示电机当前的参数、正反转状态、转速以及运行时间，通过44键盘实现：数字PID参数设置、电机正反转、加速、减速、启动、停止。本调速系统设计到的控制算法与指令均通过C语言编辑完成。1调速系统总体设计11系统总体设计说明本文设计了一个直流电机的调速控制系统，以单片机为控制核心产生PWM信号对直流电机的供电电源进行控制从而达到调速目的。采用闭环结构实现转速无静差，以软件方式实现数字PID，系统可以实现可逆调速，应具备必要的人机界面可对电机转速进行设置，并可以手动调整控制器的PID参数，具备堵转保护等必要的保护手段。其中总体设计中设计如下模块：PWM产生及控制、功率放大及驱动电路、电机测速、闭

12、环速度反馈电路、PID控制器、速度显示、键盘控制、保护性电路。12系统总体设计框图图1.2-1调速系统总体设计框图2调速系统的硬件电路的设计与原理21基于单片机的电机控制设计211 单片机简介单片机是指CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及基本输入/输出（I/O）借口电路等部件集成在一块芯片上，这样组成的芯片及微型计算机，称之为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简称为单片微机或单片机。因为单片机的硬件结构与指令系统都是按工业控制的要求设计制作的，常用作于工业的检测、控制装置中，因此也称作微控制器（Micro-Controller）或嵌入式控制器（Embe

13、dded-Controller）。我国目前广泛使用的MCS-51系列单片机，性价比较好，8031、875、8051都属于51系列。其内部结构包括：中央处理器、只读存储器、随机存取存储器、并行输入/输出口、定时/计时器、中断系统。图2.2-1 MCS-51单片机的结构框图MCS-51系列单片机为哈佛结构，就是程序存储器和数据存储器分开，相互独立。它的性能特点有：1内部程序存储器：4KB；3内部数据存储器：128KB；3外部程序存储器：可扩展到64KB；4外部数据存储器：可扩展到64KB；5输入/输出口线：32根（4个端口，每个端口8根）；6定时/计数器：2个16位可编程的定时/计数器；7串行口：

14、全双工，2根；8寄存器区：在内部数据寄存器的128B中划出一部分作为寄存器区，分为4个区，每个区8个通用寄存器；9中断源：5个中断源，2个优先级；10堆栈：最深128B；11布尔处理器：就是处理器，对某些单元的某位做单独处理；12指令系统（系统时钟为12MHz时）：大部分指令执行时间为1us，少部分指令执行时间为2us，只有乘、除指令的执行时间为4us。图2.2-2 MCS-51单片机的系统结构框图MCS-51单片机都采用40脚双列直插式封装，40个引脚中有：2个专用于主电源，2个外接晶振，4跳控制或与其他电源复用的引脚，32个I/O引脚。图2.2-3 MCS-51单片机的引脚图212 单片机

15、在电机控制方面的应用从20世纪80年代起，微处理器、单片机得到了飞速发展，其运行速度增快、运算精度增高、处理能力加强、功能更加多样、结构更加简单、可靠性也得到提高，已有足够的能力完成具有强实时性的电动机控制要求。20世纪80年代中、后期，已经有全数字控制的交流调速系统，并应用在工业中。到了20世纪90年代，单片机技术得到进一步发展，出现了32位的单片机，它强大的功能已经能使单片机全数字控制的交流调速系统性能和精度优于模拟控制，功能更加完善，具有很强的通信联网功能，使电动机传动系统成为工厂自动化系统中的一级执行机构。目前。工业先进的国家所应用的交流电动机调速系统已经基本实现数字化。在单片机控制的

16、电机系统中，单片机的输入信号一般是：用作频率或转速设定的运行指令，用作闭环控制和过电压、过电流保护的电机系统电流、电压反馈量，用于转速、位置闭环控制的电机转速、转角信号，用作缺相或瞬时停电保护的交流电源电压信号等。从计算机输出地信号主要为：交流装置功率半导体元器件的触发信号，用于控制输出电压、电流的频率、幅值和相位信号，电机系统的运行和故障状态指示信号，及上位机或系统的通信信号等。单片机在电机控制系统中实现的主要功能有：逻辑控制功能，运算、调节和控制功能、自动保护功能、故障检测和实时诊断功能。电动机系统采用单片机控制具有的优越性：容易获得高精度的稳态调整性能，可获得优化的控制质量，能方便灵活地

17、实现多种控制策略，提高系统工作的可靠性。本调速系统的总体外围电路设计图见附图一。22电机驱动电路设计221 驱动电路原理介绍在直流电机驱动方面，普遍应用H桥电路来实现对直流电机的调速，如图3-1。图2.2-1 H桥驱动电路由图可知，H桥驱动电路由4个三极管与电机组成，其形状与字母H相似，所以被称为“H桥驱动电路”。若想要让电机运行，需要导通对角的两个三极管，Q1与Q4或Q2与Q3。当Q1与Q4导通时，如图，图2.2-2 电机顺时针运行电流从从电源正极流出后，从Q1由左向右流过电机，再从Q4流出回来电源的负极。此时，电流以从左往右的方向流过电机，从而使电机按顺时针方向运转。当Q2与Q3导通时，如

18、图图2.2-3 电机逆时针运行电流从从电源正极流出后，从Q3由右向左流过电机，再从Q2流出回来电源的负极。此时，电流以从右往左的方向流过电机，从而使电机按逆时针方向运转。222 驱动电路的专用芯片选用及设计为了使驱动电路更加稳定可靠，并且减少布线，决定采用专用芯片来驱动直流电机工作。L298N是一款由SGS公司生产的直流电机控制芯片。它的内部包含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑电平信号，可以驱动46V、2A以下的电机。以L298N构造组成的PWM功率放大器的工作形式为单级可逆模式，2个H桥的下侧桥晶体管发射极连接在一起。其引脚图如下图所示，1脚和15脚可单独引出连接电流

19、采用电阻器，形成电流传号。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。图2.2-4 L298内部结构图图2.2-5 L298引脚图223 调速系统驱动电路设计及分析本调速系统的驱动电路设计如图2.2-6所示。图2.2-6 L298驱动电路表2.2-1 L298输入输出关系表根据上表可得，当使能控制端ENA为高电平时，将PWM控制信号送至输入端IN1与IN2，便可以控制电动机的正转与反转。当IN1端为PWM信号，而IN2端为低电平时，电机正转；当IN2端为PW

20、M信号，而IN1端为低电平时，电机反转。当IN1端与IN2端都为低电平时，驱动桥路上的4个晶体管均处于截止状态，这样使正在运行的电机的电枢电流反向，电机便自由停止。当电机正常运行同时，瞬间导通另一组晶体管，将使电机快速停止。电机的在转速上的调节由单片机产生不同占空比的PWM信号来实现。23电机转速采集电路设计231 速度采集的原理及方法本调速系统中由于要将电机当前采样的速度与上次采样的速度进行比较，计算出偏差，然后进行PID运算，因此速度采集电路在整个系统中是不可缺少的。目前在速度采集技术上主要有以下三种方法：方法一：霍尔集成片。这是由三篇霍尔金属板组成的器件，当磁铁正面朝向金属板时，便产生霍

21、尔效应，金属板会产生横向导通的现象。因此，我们只要把磁片安装在电机上，并将霍尔集成片安装在固定轴上，这样便可以将电机的速度以脉冲的形式检测出来。方法二：测速发电机。将测速发电机与直流电机的转轴相连，当直流电机运转时，带动测速发电机一起转动，此时测速发电机会产生大小取决于电机转速的感应电动势。方法三：光电编码器。这是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。其工作原理将在下文详述。将上诉三种方法进行比较，由于高性能的霍尔元件较难购置，且成本较高，所以不采用方法一。测速发电机虽然采样精度较高，但是其实际的安装电路较复杂，而且成本也是三者中最高的，所以也不予采用。因此，本

22、课题将采用方法三光电编码器来作为电机转速采集模块的传感器。光电编码器由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一个一定直径的圆板上等分地裁剪出若干个长方形孔如图2.4-1(a)所示。光电码盘与电机同轴，当电机运转时，光栅盘与电机一起转动，经发光二极管等电子器件组成的检测装置检测的脉冲信号。再通过计算一个周期内光电编码器输出的脉冲数，从而得到当前电机的转速如图2.4-1(b)所示。而且，编码盘还可提供相位相差的两路脉冲信号来判断旋转方向。 (a) (b)图2.3-1 光电编码器原理图232电机转速采集电路设计图2.3-2 测速模块电路图24显示模块设计241 显示模块的原理与方法为了使调速系统能让人

23、更直观地观察到电机在调速期间的运行状况，所以，显示模块是不可缺少的。目前在显示模块主要有以下三种方式：方法一：LED数码管显示器。是由发光二极管作为发光单位制作而成。通过控制输入显示器的段码信号来控制显示器。其显示接口电路分为静态显示和动态显示两种。方法二：液晶显示器LCD。其分为点阵型与字符型两种，点阵型液晶可显示图形和文字，字符型液晶只能显示字符。将上诉两种方法进行比较，LED数码管显示器虽然在控制方面较为简单，但是占用的资源较多，且无法显示本课题所需的信息量，所以方法一不予采用。液晶显示器LCD因其功耗小、体积小等特点，且符合本课题要求，所以予以采用。LCD显示模块存在多种不同的型号与规

24、格，对于不同的规格和型号的液晶显示器而言，它们的控制方法是一样的。针对本课题的要求，对于所需显示的信息量，在显示模块选择了12864LCD液晶显示器，它主要是由行驱动器、列驱动器以及12864圈点阵液晶显示器组成，既能进行汉字显示(1616)以及图形显示。12864LCD共有20个引脚，其引脚分布如图2.4-2所示，其引脚功能如表2.4-1所示图2.4-2 12864LCD液晶显示器模块引脚图引脚符 号引 脚 功 能引脚符 号引 脚 功 能1VSS电源地15CS1CS1=1芯片选择左边64*64点2VDD电源正+5V16CS2CS2=1芯片选择右边64*64点3VO液晶显示驱动电源17/RST

25、复位（低电平有效）4RSH：数据输入；L：指令码输入18VEELCD驱动负电源5R/WH：数据读取；L：数据写入19A背光电源（+）6E使能信号。20K背光电源（-）7-14DB0-DB7数据线有些型号的模块19、20脚为空脚表2.4-1 12864LCD液晶显示器模块引脚功能242 显示模块电路设计本调速系统的显示模块电路设计如图2.4-3所示。图2.4-3 12864LCD液晶显示器模块电路图25键盘输入模块设计251键盘输入模块的原理与方法由于本直流电机调速系统要求通过按键形式对直流电机进行相应控制，包括：正转、反转、加速、减速、停止、启动以及PID控制器的参数设定。所以按键输入模块是本

26、系统的人机界面部分至关重要的一部分。目前在键盘输入模块主要有以下两种方法：方法一：独立式键盘。每个键占用一个I/O口。其优点是结构简单、使用方便，缺点是所占用端口资源较多。方法二：行列式键盘。行列式键盘由行线跟列线组成。以对行线和列线进行扫描的方法来确认键值。其优点是在键盘较多的情况下，占用的I/O口资源较少，缺点是相对于独立式键盘而言，结构较复杂。将上诉两种方法进行比较，本课题要求完成电机的加速、减速、启动、停止、正反转控制，以及对P、I、D三项参数的设定，所以所需的按键较多。若采用独立式键盘势必占用大量的I/O口资源，所以方法一不予以采用。而行列式恰好满足了本课题的要求，所以采用方法二。2

27、52 键盘输入模块电路设计本调速系统的显示模块电路设计如图2.5-1所示。图2.5-1 行列式键盘输入模块电路图3调速系统数字部分的设计与原理31 PID控制器311 PID控制的原理与方法对于一个控制系统，通常要求其具有快速性、稳定性的品质和性能指标，本课题为了提高调速系统对直流电机在速度运行的上述要求，将采用转速闭环系统来对本直流电机调速进行优化，并采用数字PID控制器来实现电机的无静差运行。速度闭环控制结构可以对直流电机的调速范围以及调速的精度进行提高。在原来开环形的驱动器的基础上，加上速度闭环，这样就形成了直流电机的速度闭环控制系统。在本直流电机速度闭环调速系统中，速度控制器的输出信号

28、，作为脉宽调制器的控制信号，经过传感器处理后，形成速度反馈信号，反馈信号直接送到电子数字计算机直接数字控制系统中去。我们采用的PID控制器是通过计算机基于PID控制算法通过软件程序实现的。我们需要通过数值逼近的方法来PID控制规律的实现。当采样周期相当短时，通过求和代替积分，以及查分代替微分，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，转化成描述离散-时间PID算法的差分方程。PID控制器的原理框图如图3.1-1所示。图3.1-1 PID控制器的原理框图PID控制公式： （1）式（1）中：为比例项，为比例放大系数；为积分项，为积分放大系数；为微分项，为微分放大系数。比例控制的作用

29、是对于当前的偏差信号进行放大或者衰减后作为输出的控制信号。系数越大，控制左右也越强，系统的动态特性也越强，即表现为起动快，对阶跃设定跟随得快。但对于存在惯性环节的系统，过大时会出现较大的超调量，甚至会导致系统震荡，影响系统的稳定性。比例控制能够减小偏差，但是不能消除静态偏差。图3.1-2 比例（p）控制阶跃响应积分控制的作用是将系统从零开始到当前的偏差信号进行积累。积分控制的输出与偏差信号存在的时段有关，只要时间足够，积分控制将静态偏差消除。其缺点是积分控制不能及时克服扰动的影响。图3.1-3 积分（I）和比例积分（PI）控制阶跃响应微分控制的作用是根据偏差信号当前的变化率来判断随后的偏差时增

30、大还是减少，以及增大或减少的幅度。微分控制作用正比于偏差信号的变化率，其特点是只对偏差变化的速度起反应，对于固定不变的偏差，不会产生微分作用输出。因为只在偏差刚出现时产生很大的控制作用，所以微分控制可以加快系统的响应速度，减少调整时间，从而达到提高系统快速性的作用，而且还有助于减小超调，克服震荡，达到提高系统稳定性的作用，但是微分控制不能消除静态偏差。值得注意的是，微分控制不能独立存在，一般情况下，都要配合比例控制存在,实现PD控制。图3.1-3 微分（D）和比例积分（PD）控制阶跃响应上述对P、I、D控制各项的阐述可由表3.1-1可进行直观的对比增益常数（系数）上升时间过冲建立时间稳态误差K

31、p减少增大很小变化减小KI减少增大增加消除KD很小变化减小减少很小变化图3.1-2 积分（I）和比例积分（PI）控制阶跃响应312 数字PID算法的实现在单片机的应用中，可选用的控制方法其实很多，但最常用的还是数字PID算法。通过最优控制理论可以证明，PID控制能够满足非常多工业控制对象的控制要求。PID算法也存在多种算法，如位置式PID算法、增量式PID算法等。本课题的直流电机调速系统采用的核心算法是增量式PID算法，它是根据本次采样的数据与设定值进行比较，求出误差，然后通过P、I、D用算，一步步逼近设定值，最终输出运算结果来控制PWM脉冲的占空比来调节直流电机两端的电压值，从而达到控制点自

32、己转速的作用。增量式PID算法公式为：数字增量式PID程序的流程如图3.1-4所示图3.1-4 数字增量式PID程序流程图关于数字PID控制器的C语言源代码，见附录1。32 数字测速模块321 数字测速模块的设计思想与算法单片机接收从光电编码器的脉冲，然后进行数字运算，计算出当前电机转速，最后将转速值传送给LCD显示与PID控制模块。如图3.2-1所示图3.2-1 数字测速模块设计思想利用单片机的外部中断来记录脉冲数。每当编码器旋转一周记为一个脉冲，由脉冲触发外部中断，累计外部中断的次数，除以编码盘上的总开口数，便可得到编码器旋转地圈数。再利用单片机的定时器，利用软件定时产生1秒的定时时间，在

33、1秒定时时间到达时，所记录的外部中断发生中断的次数，便是电机的转速(r/s)。转速计算公式： 322 数字测速系统流程图（a） （b） （c）图3.2-2 (a)系统主程序流程图 (b)外部中断流程图 (c)定时器中断流程图关于数字测速模块的C语言源代码，见附录1。33 12864LCD显示模块331 12864LCD显示器的控制方法在前面的章节已经对12864LCD显示器的引脚分布以及引脚功能做了说明，下面我们来介绍下12864LCD显示器的控制方法。(1) 读状态D/IR/WEDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0011BUSY0ONOFFRST0000如果BUSY=1，表示系统

34、正忙，不能操作；只有BUSY=0时，才能操作。(2) 写指令D/IR/WEDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000下降沿指令(3) 写数据D/IR/WEDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB010下降沿显示数据将8位数据写入已确定的显示存储器的单元内。操作每完成一个列地址，列地址计数器加1.(4) 显示开关设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111D当D=1时，开显示；当D=0时，关显示。(5) 显示起始行设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011显示起始行（063）有上表可知，DB5至DB0为显示起始行

35、的地址，取值在0至3FH(1至64行)之间，它所规定的是显示器屏幕上显示内容的最顶一行所对应的显示存储器的行地址。(6) 页面地址设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page（07）页面地址是DDRAM的行地址。8行为一页，DDRAM共有64行，即8页，DB2至DB0表示0至7页。(7) 列地址设置D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001Yaddress（063）列地址是DDRAM的列地址。DDRAM共有64列，DB5至DB0取不同的值得到0至3FH(1至64)，即某一页面上的某一单元地址。列地址计数器在每一次读/写数据后将

36、自动加1。(8) 读数据D/IR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB011显示数据该操作时将12864LCD模块中的DDRAM存储器对应单位中的内容独处，然后列地址计数器自动加1。332 12864LCD显示器的显示子程序流程图 （a） （b）图3.3-2 (a)写入1616汉字程序流程图 (b)写入816程序流程图关于显示模块的C语言源代码，见附录1。34 行列式键盘输入模块341 行列式键盘输入模块的设计思想单片机读取行线和连线当前的电平高低，确认是否有按键按下，然后通过内部运算确定键值，输出键值，用于：改变电机运行状态，12864LCD显示相关参数，设定PID参数。如图3.

37、4-1所示。图3.4-1 键盘输入模块设计思想行列式键盘编程要实现以下三个目标：(1) 键的正确判断。先使某行值为“0”。再读取列值，如果读取得到的列值是“0”，则说明所在行和列的交叉处的键被按下。(2) 键去抖动。当扫描到有键按下时，延时10ms再判断该键是否仍是按下的，若不是，则将它当做误操作处理。这样可以有效对按键动作进行消抖。(3) 键值确定。根据行号、列号建立一个键值数据表，键值存于数据表中，当相应的按键按下时，再从中取键值。通过相应的键值执行其对应的代码。342 行列式键盘输入模块的程序流程图图3.4-2 行列式键盘程序流程图关于键盘输入模块的C语言源代码，见附录1。35 PWM调

38、速方法设计351对PWM控制的介绍由电机原理可得一下公式： （2-1）在确定的调速系统中，I、R、K及都是确定，则由式（2-1）可知，转速n与直流电机的电枢电压存在一定关系，只要调节点数电压U，就能改变转速n，此法称为调压调速法。对于直流电机的调压调速方法，常见的有以下三种：晶闸管调速、发电机电动机调速以及直流斩波调速（脉宽调制（PWM）。由于全空性功率电子器件的逐步发展，PWM控制技术与开关功率电路已经成为主流技术，以其能减小功率器件导通损耗、提高驱动效率等优点，所以在功率应用方面已经基本取代了现行功率放大电路。在PWM控制技术中，让功率器件按一个固定频率工作在“开”与“关”两个状态，即开关

39、饱和和导通状态。通过这种方式来改变公路器件的驱动脉冲信号的通、断的时间，来改变负载两端的平均电压的大小。当这个负载为直流电机时，就实现了电机的调压调速。为什么PWM控制技术能改变负载两端电压呢？在采样控制理论中存在一个重要的结论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积，效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。这个结论就是面积等效原理，它是PWM控制技术的重要基础理论。由这个原理我们可以用一些等幅不等宽的脉冲来等效代替一个正弦半波。我们把一个正弦半波分成N份，看做N个相连的脉冲序列，等宽但不等幅；我们再用等幅

40、不等宽的矩形脉冲来表示代替这个正弦半波，有图3.7-1可知，它们面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。图3.5-1 PWM替换正弦半波原理图下面举例说明下，PWM的工作原理，如下图所示：图3.5-2 PWM波形图设T为脉冲的周期，t1为电枢两端高电平时电压为Ud所用的时间，为占空比，得：因此，我们可得电枢两端电压的平均值 如图2-7，若电压幅值，周期，脉宽，则占空比，得：电枢两端的平均电压。通过PROTEUS仿真，我们可以得到电枢两端的平均电压不同时的PWM波形，平均电压较高时图3.5-3 PWM波形图（电压高）平均电压一般时图3.5-4 PWM波形图（电压一般）平均电压较低时图3.5-5 P

41、WM波形图（电压低）352 PWM脉冲的产生目前在键盘输入模块主要有以下四种方法：方法一：分立电子元件组成的PWM信号发生元件。该法是以分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式。方法二：专业PWM集成芯片。制造商生产的专用于PWM控制的集成电路芯片，如ti公司的tl494芯片，东芝公司的2sk3131芯片等。这些芯片一般都还具有“死区”调节功能、过流过压保护功能等。方法三：软件模拟法。采用软件编程的方法让单片机的一个I/O引脚不间断地输出高低电平来实现PWM波。方法四：单片机的PWM口。新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。在这些单片机中我们只要通过初始化设置，就能使

42、其PWM输出口自动输出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。将上诉四种方法进行比较，为了减少硬件电路的复杂性，减少成本，以及为了锻炼自己的编程能力，本设计采用软件模拟法来完成PWM脉冲波的产生。本设计通过延时程序来控制PWM脉冲的占空比。353 PWM脉冲产生模块的程序流程图图3.5-6 PWM脉冲程序流程图关于PWM脉冲产生模块的C语言源代码，见附录1。4总结与展望本设计对基于单片机的PWM调速系统做了一个粗浅的探讨。它是以51系列单片机为控制核心，加上一定量的外围电路，通过L298驱动芯片完成对直流电机的驱动，通过PWM脉冲波完成对直流电机的调速，通过数字PID与测速模块形成速

43、度闭环系统完成对直流电机的无静差调节。并通过人机界面，完成对电机运行的参数设置，且直观地观察电机的运行状态。在整个设计过程中遇到了很多问题，我通过寻找书籍以及网络资料进行改善与解决，该系统还存在不足之处有待改善。鉴于本水平有限，有不对之处，望包涵，多多指教。参考文献1 张强等.基于单片机的电动机控制技术M.北京：中国电力出版社出版,2008.1162 谷腰欣司等.直流电动机实际应用技巧M.北京：科学出版社出版,2006.3刘伟.PWM技术在电机驱动控制中的应用D.合肥：合肥工业大学电子与通信工程专业，20094dianliying脉冲宽度调带UEBOLhttp：baikebaiducornview168039htm，200810295dianliying面积等效原理EBOLhttp：baikebaiducornview614401htm，2006-1 1196孙绪才. L298N在直流电机PWM 调速系统中的应用J.潍坊学院学报，2009，9(4)：19217 张元良等.单片机开发技术实例教程M.北京：机械工业出版社出版,2011.8 边春元等. C51单片机典型模块设计与应用M.北京：机械工业出版社出版,2008.9 王苏. 直流电机PWM调速研究及单片机控制实现J.机电工程技术,2008,(11).10 陈伯时电力拖动自动控制