畢業(yè)設(shè)計脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)(PWM)

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1、脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)（PWM）工 學(xué) 部 工學(xué)一部專 業(yè)自動化班 級 學(xué) 號 姓 名 指導(dǎo)教師 負責(zé)教師 摘 要直流電機是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是在控制電路輸出周期不變的情況下，通過輸入設(shè)定不同的占空比，從而達到改變輸出直流電壓的目的。本文通過使用PWM技術(shù)，對ADC0809采集到的電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量傳送到AT89S52里，在通過周期不變的前提下，調(diào)節(jié)占空比，將其調(diào)節(jié)的結(jié)果在三位數(shù)碼管上顯示出來，而這整個調(diào)節(jié)過程的原理可以運用到調(diào)節(jié)電機的供給電壓上來，以達

2、到對直流電機的無級調(diào)速的目的。關(guān)鍵詞：PWM；直流電機；無級調(diào)速AbstractDC motors are the most common type of motor, in various fields has been widely used. Study of DC motor control and measurement method, to improve the control accuracy and response speed, energy conservation is important and so on. Pulse width modulation (PWM)

3、control circuit in the output of the cycle remain unchanged, by entering a different duty cycle settings, change the output so as to achieve the purpose of DC voltage. In this paper, through the use of PWM technology, collected ADC0809 ADC voltage, and then convert the digital transmission to the AT

4、89S52, in the adoption of the premise of the same cycle to regulate the duty cycle, the results of its regulation in three bit digital tube display, which is the principle of the adjustment process can be used to adjust the electrical supply voltage table in order to achieve the stepless speed regul

5、ation of DC motor purposes.Keywords: PWM; DC Motor; Stepless speed regulation目 錄1 課題研究背景和意義11.1 背景11.2 意義12 課題相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展情況32.1 PWM技術(shù)的發(fā)展情況32.2 直流電機的發(fā)展情況43 可行性分析53.1 技術(shù)可行性分析53.2 經(jīng)濟可行性分析53.3 時間可行性分析53.4 操作可行性分析64 方案論證74.1 PLC方案74.2 硬件連接方案74.3 單片機方案75 理論設(shè)計85.1 脈寬調(diào)制技術(shù)原理85.1.1 模擬電路85.1.2 數(shù)字控制95.1.3 硬件控制器105

6、.2 PWM技術(shù)115.2.1 PWM控制的基本原理115.2.2 PWM相關(guān)概念135.3 無級調(diào)速146 系統(tǒng)設(shè)計166.1 硬件設(shè)計166.1.1 AT89S52硬件分析166.1.2 A/D轉(zhuǎn)換硬件分析196.2 強電控制弱電226.3 軟件設(shè)計237 調(diào)試分析258 社會經(jīng)濟效益分析26結(jié) 論27致 謝28參考文獻29附錄 總體連接圖30附錄 程序清單31IV1 課題研究背景和意義脈寬調(diào)制PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整

7、其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。1.1 背景 電是人們生活中不可缺少的東西，電燈，電話，電影，電視，洗衣機，電冰箱，無線電廣播，X光透視等等都靠電。人們飽嘗了停電帶來的不便，害怕停電，不希望停電，因此，各國都在大力發(fā)展電力產(chǎn)業(yè)。大規(guī)模機器生產(chǎn)離不開動字，馬達轟鳴是工廠生命的象征，電動機隨人意轉(zhuǎn)動是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志。 直流能避開電感電容產(chǎn)生的無功損耗和功率因數(shù)的下降，在變壓，整流極可實現(xiàn)的今天，直流輸電又重回日程上表。我國已經(jīng)建成了一條直流輸電線，現(xiàn)在正準(zhǔn)備建第二條實現(xiàn)西電東送。直流電動機以其外特性硬著稱，伴隨直流輸電解決了直流電源問題，直流電動機的使用越來越廣泛，特別的各種精度要求非常的

8、工廠更是對直流電動機的良好穩(wěn)定的工作性能渴求以久，而現(xiàn)在終于得以實現(xiàn)了。科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進步使人們步入了精細的社會，交流電動機的變頻，直流電動機的PWM實現(xiàn)無級調(diào)速，是精細化的重要內(nèi)容。1.2 意義無級調(diào)速能使電動機平滑起制動，免去了速度突變使乘電動機車人們站立不穩(wěn)造成前俯后仰，甚至跌打損傷及坐電梯的人們心臟不適的感覺，電動機起停于不知不覺中有多愜意，可讓人們更好的享受生活。隨著社會的發(fā)展，加工的機器零件外型越來越復(fù)雜，我國科技部立項的重大設(shè)備攻關(guān)項目五軸聯(lián)動鈦合金加工的數(shù)控機床就是用來加工飛機發(fā)動機葉輪等復(fù)雜外型，飛機零件的，要精密到頭發(fā)絲的十分之幾，甚至百分之幾。這就要求五軸電動機不但和

9、諧運動，而且每軸電動機的轉(zhuǎn)速根據(jù)零件外型和刀具所處位置無級變化，只有位置精確，速度精確，才能保證切削精確，才能保證加工質(zhì)量。顯然電動機無級調(diào)速對精密加工，對我國裝備制造業(yè)基地意義重大。2 課題相關(guān)的國內(nèi)外發(fā)展情況2.1 PWM技術(shù)的發(fā)展情況PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，

10、PWM在各種應(yīng)用場合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點。由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它

11、特定優(yōu)化目標(biāo)。在70年代開始至80年代初，由于當(dāng)時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5kHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機PWM方法應(yīng)運而生。其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；別一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技

12、術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。 隨著電壓型PWM變頻器在高性能的交流傳動系統(tǒng)中應(yīng)用日趨廣泛，PWM技術(shù)的研究越來越深入。PWM利用功率半導(dǎo)體器件的高頻開通和關(guān)斷，把直流電壓變成按一定寬度規(guī)律變化的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變頻、變壓并有效地控制和消除諧波。PWM技術(shù)可分為三大類：正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM包括以電壓、電流和磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案。正弦PWM一般隨著功率器件開關(guān)頻率的提高會得到很好的性能，因此在中小功率交流傳動系統(tǒng)中被廣泛采用。但對于大容量的電力變換裝置來說，太高的開關(guān)頻率會導(dǎo)致大的開關(guān)損耗，而且大功率器件如GTO的開關(guān)頻率目前還不能做得很高，在這

13、種情況下，優(yōu)化PWM技術(shù)正好符合裝置的需要。特定諧波消除法（Selected Harmonic Elimination PWMSHE PWM）、效率最優(yōu)PWM和轉(zhuǎn)矩脈動最小PWM都屬于優(yōu)化PWM技術(shù)的范疇。普通PWM變頻器的輸出電流中往往含有較大的和功率器件開關(guān)頻率相關(guān)的諧波成分，諧波電流引起的脈動轉(zhuǎn)矩作用在電動機上，會使電動機定子產(chǎn)生振動而發(fā)出電磁噪聲，其強度和頻率范圍取決于脈動轉(zhuǎn)矩的大小和交變頻率。如果電磁噪聲處于人耳的敏感頻率范圍，將會使人的聽覺受到損害。一些幅度較大的中頻諧波電流還容易引起電動機的機械共振，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。為了解決以上問題，一種方法是提高功率器件的開關(guān)頻率，但這種

14、方法會使得開關(guān)損耗增加；另一種方法就是隨機地改變功率器件的導(dǎo)通位置和開關(guān)頻率，使變頻器輸出電壓的諧波成分均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，從而抑制某些幅值較大的諧波成分，以達到抑制電磁噪聲和機械共振的目的，這就是隨機PWM技術(shù)。2.2 直流電機的發(fā)展情況直流電動機具有良好的起動、制動和調(diào)速性能，可以方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速。20世紀(jì)30年代，直流調(diào)速系統(tǒng)就已在重型和精密機床上得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)60年代以后，隨著大功率晶閘管的問世、大功率整流技術(shù)和大功率晶體管的發(fā)展，晶閘管直流電動機無級調(diào)速系統(tǒng)取代了“直流發(fā)電機-直流電動機”、電磁放大機等直流調(diào)速系統(tǒng)，采用脈寬調(diào)制的直流調(diào)速系統(tǒng)也得到了

15、廣泛的應(yīng)用。3 可行性分析3.1 技術(shù)可行性分析脈寬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)為單片機技術(shù)。還涉及到其他技術(shù)如數(shù)據(jù)采集技術(shù)等，這些知識都學(xué)過。現(xiàn)今以上技術(shù)均發(fā)展成熟，可以利用其進行實驗。 以上幾種技術(shù)涉及到我們學(xué)習(xí)的單片機原理與接口技術(shù)、微機計算機原理與接口技術(shù)、微型計算機控制技術(shù)，過程控制等幾門課程。需要掌握的具體知識有A/D轉(zhuǎn)換、中斷、LED數(shù)碼顯示等幾個模塊。本人已初步掌握這些技術(shù)，可以利用這些技術(shù)完成畢業(yè)設(shè)計，技術(shù)分析可行，可以進行實驗設(shè)計。3.2 經(jīng)濟可行性分析畢業(yè)設(shè)計脈寬調(diào)制系統(tǒng)設(shè)計用到的實驗設(shè)備為微型計算機、單片機和示波器。以上設(shè)備價格便宜購買方便，經(jīng)濟上完全可以承受，經(jīng)濟分析可行。

16、3.3 時間可行性分析收集課題相關(guān)資料，熟悉設(shè)計相關(guān)元件，完成開題報告和3000字的相關(guān)英文資料翻譯，完成總體的硬件電路和軟件設(shè)計，溫習(xí)匯編語言在第一周到第四周完成。設(shè)計完善的硬件圖，包括各個模塊的精確設(shè)計。有針對性的收集軟件變成資料，準(zhǔn)備開始上機編程在第五周到第六周完成。購買材料，完成實驗室硬件接線，開始編程調(diào)試，爭取在第七周到第十周期間完成硬軟件聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計所需功能，通過導(dǎo)師驗收。在第十一周到第十四周完成畢業(yè)設(shè)計論文，期間每周聽取導(dǎo)師對論文的意見和建議。在第十五周到第十九周完善論文，擴充課題相關(guān)知識，準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯。按照該計劃現(xiàn)在設(shè)計已經(jīng)進行到論文階段，時間分析可行。根據(jù)以上時間計

17、劃，可以完成畢業(yè)設(shè)計所有內(nèi)容，時間分析可行，可以進行實驗。3.4 操作可行性分析本次畢業(yè)設(shè)計主要利用單片機，涉及到的模塊有A/D轉(zhuǎn)換模塊、AT98S52單片機、LED數(shù)碼顯示模塊。下面就對各個模塊需要實現(xiàn)的功能進行介紹。A/D轉(zhuǎn)換模塊功能：完成0-5V電位器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)化為需要的數(shù)字信號，0-5V的模擬量對應(yīng)00H-FFH的數(shù)字量。LED數(shù)碼顯示模塊功能：LED數(shù)碼管顯示0100，也就是占空比的比值，電位器模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的00H-FFH。最終設(shè)計實現(xiàn)以上功能，功能可行性分析可行。4 方案論證4.1 PLC方案用PLC技術(shù)也能把這實驗完美的做出來，但是考慮到現(xiàn)實中的PLC器材和成本價格都

18、比較昂貴，而且PLC機器笨重，龐大，不利于搬動。所以此方案不是最理想的。4.2 硬件連接方案全用硬件也能把這實驗做出來，但這樣做的過程比較復(fù)雜，機動性也很差，工程量比較大，比較煩瑣，所以容易出紕漏，因此這方案也不是最佳方案。4.3 單片機方案此次方案簡單，快捷，不僅各種實驗所需的材料價格比較便宜，而且在市場上可以很方便的購買到。單片機體積小，功能全，可靠性好。因此此實驗用這種方案是最合適的。所以此實驗我就選擇的是單片機這一方案。5 理論設(shè)計脈寬調(diào)制PWM是開關(guān)型穩(wěn)壓電源中的術(shù)語。這是按穩(wěn)壓的控制方式分類的，除了PWM型，還有PFM型和PWM、PFM混合型。脈寬寬度調(diào)制式（PWM）開關(guān)型穩(wěn)壓電路

19、是在控制電路輸出頻率不變的情況下，通過電壓反饋調(diào)整其占空比，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。5.1 脈寬調(diào)制技術(shù)原理5.1.1 模擬電路模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬組件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間產(chǎn)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在(0V, 5V)這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值

20、變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬改變電流值的大小控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作組件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會。5.1.2 數(shù)字控制由以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片

21、上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。由高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)變用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要頻寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。下圖中顯示了三種不同的PWM信號。圖a是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號周期中，10的時間通，其

22、余90的時間斷。圖b和圖c顯示的分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。這三種PWM輸出編碼的分別是強度為滿度值的10%、50%和90%的三種不同模擬信號值。例如，假設(shè)供電電源為9V，占空比為10%，則對應(yīng)的是一個幅度為0.9V的模擬信號。 圖5.1 PWM信號圖例：用一塊9V電池連接一個燈泡，使用PWM進行驅(qū)動的簡單電路。如果將連接電池和燈泡的開關(guān)閉合50ms，燈泡在這段時間中將得到9V供電。如果在下一個50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內(nèi)將此過程重復(fù)10次，燈泡將會點亮并像連接到了一個4.5V電池(9V的50%)上一樣。這種情況下，占空比為50%，調(diào)變頻率為10H

23、z。 大多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調(diào)變頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點亮，在下一個5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負載對開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈(但保持點亮)的效果，必須提高調(diào)變頻率。在其它PWM應(yīng)用場合也有同樣的要求。通常調(diào)變頻率為1kHz到200kHz之間。5.1.3 硬件控制器許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是

24、接通時間與周期之比；調(diào)變頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM作業(yè)之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：設(shè)置提供調(diào)變方波的片上定時器/計數(shù)器的周期在PWM控制緩存器中設(shè)置接通時間設(shè)置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳啟動定時器使能PWM控制器雖然具體的PWM控制器在編程細節(jié)上會有所不同，但它們的基本方向通常是相同的。PWM廣泛應(yīng)用在多種系統(tǒng)中。作為一個具體的例子，我們來考察一種用PWM控制的制動器。簡單地說，制動器是緊夾住某種東西的一種裝置。許多制動器使用模擬輸入信號來控制夾緊壓力(或制動功率)的大小。加在制動器上的電壓或電流越大，制動器產(chǎn)生的壓力就越大?？梢詫WM控制器的輸出連接到

25、電源與制動器之間的一個開關(guān)。要產(chǎn)生更大的制動功率，只需藉由軟件加大PWM輸出的占空比就可以了。如果要產(chǎn)生一個特定大小的制動壓力，需要藉由測量來確定占空比和壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(所得的公式或查找表藉由變換可用于控制溫度、表面磨損等等)。例如，假設(shè)要將制動器上的壓力設(shè)定為100P，軟件將作一次反向查找，以確定產(chǎn)生這個大小的壓力的占空比應(yīng)該是多少。然后再將PWM占空比設(shè)置為這個新值，制動器就可以相應(yīng)地進行響應(yīng)了。如果系統(tǒng)中有一個傳感器，則可以借由死循環(huán)控制來調(diào)節(jié)占空比，直到精確產(chǎn)生所需的壓力?？傊琍WM既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。5.2 PWM技

26、術(shù)脈寬調(diào)制(PWM:(Pulse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬

27、值都可以使用PWM進行編碼。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。5.2.1 PWM控制的基本原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指

28、環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖5.2.1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 面積等效原理： 分別將如圖1所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L電路）上，如圖2a所示。其輸出電流i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖2b所示。從波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖5.2.2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個

29、正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。圖5.2.3用PWM波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。PWM電流波： 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波形可等效的各種波形：直流斬波電路，等效直流波形，SPWM波，等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。5.2.2 PWM相關(guān)概念占空比：就是輸出

30、的PWM中，高電平保持的時間 與 該PWM的時鐘周期的時間 之比如，一個PWM的頻率是1000Hz，那么它的時鐘周期就是1ms，就是1000us，如果高電平出現(xiàn)的時間是200us，那么低電平的時間肯定是800us，那么占空比就是200：1000，也就是說PWM的占空比就是1：5。分辨率也就是占空比最小能達到多少，如8位的PWM，理論的分辨率就是1：255(單斜率)， 16位的的PWM理論就是1：65535(單斜率)。頻率就是這樣的，如16位的PWM，它的分辨率達到了1：65535，要達到這個分辨率，T/C就必須從0計數(shù)到65535才能達到，如果計數(shù)從0計到80之后又從0開始計到80.，那么它的

31、分辨率最小就是1：80了，但是，它也快了，也就是說PWM的輸出頻率高了。雙斜率 / 單斜率假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后又從0計數(shù)到80. 這個就是單斜率。假設(shè)一個PWM從0計數(shù)到80，之后是從80計數(shù)到0. 這個就是雙斜率?？梢姡p斜率的計數(shù)時間多了一倍，所以輸出的PWM頻率就慢了一半，但是分辨率卻是1：(80+80) 1：160，就是提高了一倍。假設(shè)PWM是單斜率，設(shè)定最高計數(shù)是80，我們再設(shè)定一個比較值是10，那么T/C從0計數(shù)到10時(這時計數(shù)器還是一直往上計數(shù)，直到計數(shù)到設(shè)定值80)，單片機就會根據(jù)你的設(shè)定，控制某個IO口在這個時候是輸出1還是輸出0還是端口取反，這樣，就是PWM

32、的最基本的原理了。 5.3 無級調(diào)速無級調(diào)速簡稱CV變速，是通過兩組可以改變直徑的齒輪或者皮帶輪組成，由鏈條或皮帶連接，通過改變齒輪或皮帶輪的直徑來控制變速比由于皮帶、鏈條的物理限制，不能用于扭矩較大的發(fā)動機（不過現(xiàn)在日產(chǎn)已經(jīng)研究出可以承受300N.m的無級變速箱），常見于踏板摩托車（皮帶傳動），小型轎車（鏈條傳動），卡丁車（皮帶傳動）優(yōu)點：沒有換檔動作，方便，沒有換檔的頓挫感，傳動效率高（比自動變速（85%左右）高很多（約95%），與手動變速接近），所以加速快，油耗低缺點：故障率相對較高，成本相對較高，不能用于高輸出發(fā)動機。 無級調(diào)速又是自動調(diào)速。無級調(diào)速說起來簡單，實際上也不是那么簡單。實

33、現(xiàn)無級調(diào)速，例如，對直流電機，用變頻器就不能調(diào)速。無級調(diào)速一般情況下可以用機械和電氣兩個大類實現(xiàn)。機械式無極調(diào)速，可通過液壓控制來實現(xiàn)。電氣上首先要分對直流電機還是對交流電機調(diào)速（伺服電機、步進電機還是另類，先不算），直流電機用直流調(diào)速器控制，如西門子的6RA70等，交流電機用變頻器控制，如西門子的MM440等。還有一種方式是對什么電機都有效的，就是電磁調(diào)速器，加在電機和負載之間，靠丟轉(zhuǎn)來調(diào)速。直流伺服電機具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬等特點，因而常常用于實現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動系統(tǒng)中，在工業(yè)、國防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是在火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、艦載平臺、雷達天線、機器人控制等場合

34、。盡管交流伺服電機的發(fā)展相當(dāng)迅速，但在這些領(lǐng)域內(nèi)還難以取代直流伺服電機。傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)包含2個反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測速機、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。現(xiàn)代數(shù)字直流伺服控制則采用高速數(shù)字信號處理器（DSP），直接對速度和電流信號進行采樣，通過軟件實現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)節(jié)運算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實現(xiàn)對速度的精確控制。二者相比，模擬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，但調(diào)試較復(fù)雜，因為其電路參數(shù)的修改往往需要硬件上的改動；而數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但是調(diào)速精度很高、調(diào)試過程也較容易，調(diào)速系統(tǒng)的性能可以由軟件進行控制。 在畢業(yè)設(shè)計的

35、過程中也提高了自己獨立思考問題，發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。6 系統(tǒng)設(shè)計6.1 硬件設(shè)計6.1.1 AT89S52硬件分析AT89S52是一種低功耗、高性能、采用CMOS工藝制造的8位單片機，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)片內(nèi)Flash存儲器，256字節(jié)RAM，32 位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作

36、停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。芯片的引腳如圖6.1.1-1：圖6.1.1-1 AT89S52引腳主要引腳功能如下：P0 口：8位并行雙向的I/O口，訪問外部存儲器時，可作為低8位地址線/數(shù)據(jù)總線復(fù)用。本次設(shè)計P0口與數(shù)碼管相連，目的是顯示數(shù)碼管。P1 口：具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，可驅(qū)動4個TTL 邏輯電平，當(dāng)編程和校驗程序定義為低8位的地址線。作為輸入時需要先將每個引腳置成1。引腳P1.0同時還是定時/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入，引腳P1.1同時還是定時/計數(shù)器T2捕捉/重裝操作的控制信號。本次設(shè)計只用到了P1.0口。P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O

37、 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。此設(shè)計把P2口作為輸入口使用。P3 口：具體內(nèi)上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動4個TTL

38、負載。作為普通的I/O口的輸入口使用時，應(yīng)該先將該口的各引腳寫1。除此之外，P3口還提供了一些第二功能，如表6.1.1-2所示：表6.1.1-2 P3口第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0 （定時器0外部輸入）P3.5T1 （定時器1外部輸入）P3.6WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效）P3.7RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效） 此設(shè)計中，P3.0-P3.2為控制數(shù)碼管的顯示，P3.3-P3.6是讀取AD的控制線的。下面給出的是設(shè)計中AT89S52的各個引腳的連線情況：

39、圖6.1.1-3 AT89S52硬件連接圖6.1.2 A/D轉(zhuǎn)換硬件分析ADC0809是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位ADC，采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.1.2-1所示。ADC0809由單一+5V電源供電，片內(nèi)有帶鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路0-5V的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)化，完成一次轉(zhuǎn)換約需100s；輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚珹DC0809可對0-5V的雙極性模擬信號進行轉(zhuǎn)換。ADC0809是28腳雙列直插式封裝，引腳如圖6.1.2-1所示。各引腳功能如下：圖6.1.2-1ADC0809引腳圖

40、 IN7IN0模擬量輸入通道 ALE地址鎖存允許信號。對應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。本信號有時簡寫為ST. A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。 CLK時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHz的時鐘信號 EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0,正在進行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀

41、態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。 D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高 OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 Vcc +5V電源。 Vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖6.1.2-2所示：圖6.1.2-2 ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸

42、入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C 3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連。 圖6.1.2-3 ADC0809硬件接線6.2 強電控制弱電 圖6.2.1弱電控制強電簡單電路圖此圖通過05V的電壓使發(fā)光二極管發(fā)光，發(fā)出的光使光電三極管激活，從而使繼電器線圈產(chǎn)生電壓，而和線圈并聯(lián)的二極管，意在保護光電三極管不被擊穿。繼電器線圈中產(chǎn)生電壓以后就可以控制接有負載的強電系統(tǒng)了。6.3 軟件設(shè)計圖6.3.1 軟件主流程圖此實驗從接通電源開始，由程序控制，通過A

43、DC0809采集電壓在將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入到AT98S52中，通過AT89S52中的一系列中斷過程（數(shù)據(jù)處理過程），最后將調(diào)節(jié)的占空比比值通過數(shù)碼管顯示出來。圖6.3.2 中斷流程圖7 調(diào)試分析在調(diào)試的過程中，曾經(jīng)許多次都調(diào)不出理想中的狀態(tài)，硬件的焊接上也出過不少問題，不是焊多了就是把不該焊接的地方給焊接上了，還有就是焊接松動了，后來不斷的試一次，檢查一次，在修改，問題終于慢慢少了 ，最后才把整個板子焊接好。還有就是調(diào)示波器的波形，這本來是一個很簡單的事情，但是由于學(xué)校示波器的型號比較老，而且精確度也不是很高，所以也費不少勁，不過還算好，現(xiàn)象最終還是調(diào)試出來了。軟件方面，主要的問題出在程序

44、上，由于自己對單片機的編程不是很精通，所以編這個程序很費了些力，請教老師和自己看書，在各方面的幫助下，最終才完成的。但最后編出來的程序還是出現(xiàn)了很多錯誤，后也經(jīng)過很長一段時間的修改才完全正確了。8 社會經(jīng)濟效益分析此實驗整個過程中，就用了一塊電路板，1個ADC0809，1個AT89S52單片機片子，另外還有一個三位LED數(shù)碼管，在加上一些導(dǎo)線，然后焊接起來就完成了。這些實驗材料在市場上的購買價格都很便宜，即成本很低。而一但實驗成功后所帶來的經(jīng)濟效益卻非常的大，因為現(xiàn)代社會的發(fā)展和大程度上都需要這方面的技術(shù)和產(chǎn)品，特別的實現(xiàn)了無級調(diào)速所帶來的優(yōu)越性更是使很多需要用到電動機的高精密生產(chǎn)廠家爭相購買

45、。故此實驗是一個投資小回報大的項目，完全可以投入研究和生產(chǎn)。結(jié) 論經(jīng)過了近三個月的學(xué)習(xí)和實驗，在楊明鑑教授和付剛教授的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下，我終于完成了脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)（PWM）的論文與模擬設(shè)計。從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計，每一步對我來說無疑是巨大的嘗試和挑戰(zhàn)，也是我在大學(xué)期間獨立完成的最大的項目。還清楚的記得在剛接到這個課題時，心里很有點慌亂，由于當(dāng)初我們的單片機是考察課，自己在學(xué)習(xí)上也松懈了很多，導(dǎo)致了這一塊知識的缺失，而我本次設(shè)計的題目正是單片機類的畢業(yè)設(shè)計。帶著這樣的困難我開始了不斷地學(xué)習(xí)和實驗：去圖書館查閱相關(guān)資料、上網(wǎng)去了解課題相關(guān)的最新動向、復(fù)習(xí)匯編語言和一些主要芯片的知識，

46、經(jīng)過自己的努力和老師的引導(dǎo)，課題的主體框架漸漸形成了。在具體設(shè)計的過程中，我遇到了更大的困難，如數(shù)碼顯示不正確，硬件內(nèi)部接線模糊等等，在自己的努力和老師同學(xué)的幫助下一一的解決了這些問題，最終完成了本次畢業(yè)設(shè)計。應(yīng)該說收獲是豐盛的，在這個過程中不僅彌補了我在單片機知識上的空缺，更鍛煉了自己發(fā)現(xiàn)問題，勇敢面對，解決問題的能力，在這一個個循環(huán)往復(fù)的過程中，更提高了自己思考問題的能力。雖然我的設(shè)計作品不是很成熟，即使借鑒前人的很多資料仍然還有很多不足之處，但我仍然心里有一種莫大的幸福感和成就感，這種感覺是很奇妙的。因為我實實在在地走過了一個完整的設(shè)計所應(yīng)該走的每一個過程，并且享受了每一個過程。 由于這

47、是本人第一次完整的設(shè)計，加之水平有限，設(shè)計中難免有不當(dāng)之處，還請各位老師給予批評、指正。致 謝這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，同時得到了學(xué)校的大力支持，給我提供了舒適的學(xué)習(xí)與設(shè)計環(huán)境，在此表示衷心的感謝！感謝我的導(dǎo)師*教授和付剛教授，從開始進入課題到論文的順利完成近3個月的時間里；幾乎每周都會給我引導(dǎo)思路，指出錯誤，是我畢業(yè)設(shè)計過程中最該感謝的人。 感謝*同學(xué)對我的幫助和指點，特別是在繪圖的過程中，他們給予了我很大的幫助。感謝*學(xué)長在畢業(yè)設(shè)計最后的一段時間里，幫我指出了實驗中不少中致命性的錯誤，使我順利的完成了此實驗的設(shè)計。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有太多可

48、敬的師長、同學(xué)和朋友給予了我無言的幫助，在這里不能一一提及。僅在此向所有給予我?guī)椭呐笥褌冎乱宰钫\摯的謝意。參考文獻1 馬淑華、王鳳文、張美金.單片機原理與接口技術(shù).北京郵電大學(xué)出版社，20072 楊立 . 微型計算機原理與接口技術(shù). 中國水利水電出版社， 20053 楊將新、李華軍.片機程序設(shè)計及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，20064 張振榮、毅平.片機原理及實用技術(shù).人民郵電出版社，20005 張友德. 單片機微型機原理及應(yīng)用.復(fù)旦大學(xué)出版社，19916 王宗和.單片機實驗與綜合訓(xùn)練.高等教育出版社，20057 湖漢才.單片機原理及其接口技術(shù).清華大學(xué)出版社，19968 徐淑華.片機微型原理及應(yīng)

49、用.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，19949 王曉明.電動機的單片機控制.北京航空航天大學(xué)出版社，2002附錄 總體連接圖（總體硬件連接圖見后大圖）附錄 程序清單;-ADDATA_BUS EQU P2 ;0809數(shù)據(jù)總線START EQU P3.5 ;接0809 STREOC EQU P3.6 ;接0809 EOCOE EQU P3.7 ;接0809 OEALE EQU P3.4 ;接0809 ALE;-DIS_BUS EQU P0 ;顯示段碼總線 ;-DIS1 EQU P3.2 ;顯示位碼線1DIS2 EQU P3.1 ;顯示位碼線2DIS3 EQU P3.0 ;顯示位碼線3;-PWM EQU P1

50、.0 ;PWM輸出口;-;-;-定義其他寄存器-PWM_P EQU 30H ;PWM周期寄存器PWM_H EQU 31H ;PWM高電平寄存器;-;-定義AD寄存器-AD_DATA EQU 36H ;AD 寄存器;-;-與顯示相關(guān)寄存器-DISPLAY_NUM_1 EQU 5BH ; 數(shù)碼管1顯示的數(shù)值寄存器DISPLAY_NUM_2 EQU 5CH ; 數(shù)碼管2顯示的數(shù)值寄存器DISPLAY_NUM_3 EQU 5DH ; 數(shù)碼管3顯示的數(shù)值寄存器;-DISPLAY_CODE_1 EQU 61H ; 數(shù)碼管1段碼寄存器DISPLAY_CODE_2 EQU 62H ; 數(shù)碼管2段碼寄存器DIS

51、PLAY_CODE_3 EQU 63H ; 數(shù)碼管3段碼寄存器;-;-主程序入口-ORG 0000H ;主程序入口地址 SJMP MAIN ;跳至主程序ORG 000BH ;T0中斷入口地址 LJMP INT_T0 ;跳至中斷子程序MAIN: MOV SP,#70H SETB DIS1 SETB DIS2 SETB DIS3 LCALL INIT_T0MAIN_LOOP: LCALL GETADDATA ;采集AD MOV A,AD_DATA MOV B,#101 MUL AB MOV PWM_H,B ;數(shù)據(jù)處理 LCALL PROCESSDISPLAYDATA LCALL DISPLAY ;

52、顯示 LJMP MAIN_LOOP;-;-;模數(shù)轉(zhuǎn)換;-GETADDATA: SETB ALE NOP NOP CLR ALE SETB START SETB EOC MOV R5,#2 LCALL DELAY CLR START ;CLR EOC JNB EOC,$ SETB OE ; MOV ADDATA_BUS,#0FFH MOV R5,#3 LCALL DELAY MOV AD_DATA,ADDATA_BUS RET;-;處理顯示數(shù)據(jù);-PROCESSDISPLAYDATA: MOV DPTR,#NIXIETABLE ;- MOV A,PWM_H MOV B,#100 CLR C DI

53、V AB MOV DISPLAY_NUM_1,A MOV A,B MOV B,#10 CLR C DIV AB MOV DISPLAY_NUM_2,A MOV DISPLAY_NUM_3,B ;- MOV A,DISPLAY_NUM_1 MOVC A,A+DPTR MOV DISPLAY_CODE_1,A ;- MOV A,DISPLAY_NUM_2 MOVC A,A+DPTR MOV DISPLAY_CODE_2,A ;- MOV A,DISPLAY_NUM_3 MOVC A,A+DPTR MOV DISPLAY_CODE_3,A RET;=;顯示;-DISPLAY: MOV DIS_BUS,DISPLAY_CODE_1 CLR DIS1 MOV R5,#1 LCALL DELAY SETB DIS1 ;- MOV DIS_BUS,DISPLAY_CODE_2 CLR DIS2 MOV R5,#1 LCALL DELAY SETB DIS2 ;- MOV DIS_BUS,DISPLAY_CODE_3 CLR DIS3 MOV R5,#1 LCALL DELAY SETB DIS3 RET;=;=;延時程序;-DELAY: MOV