（毕业论文  字数：32935 页数：114）摘 要：直流脉宽调速系统，是采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器——直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。全数字控制系统是以微处理器为核心的数字控制系统，简称微机数字控制系统。目前流行的方案是采用由数字电路组成的大规模集成电路，加上大功率可关断器件组成直流脉宽调速系统（PWM），进而发展成用单片机控制的功能更强的全数字微机控制的直流调速系统。
本文针对国内外在这一领域的研究现状，详细分析了双极式控制的桥式可逆直流脉宽调速系统的工作过程，以及直流PWM系统的原理和优缺点。在此基础上，引入了直流PWM系统的转速、电流双闭环控制，增强了控制性能。本文还介绍了C8051单片机在标准单片机基础上新增加的功能，以及将微处理系统与LED显示连接所必须的一种芯片—ICM 7218A。
本文根据所给的电机参数，硬件方面制定出直流脉宽调速系统的主回路方案并进行了选型设计，结合C8051芯片和ICM 7218A芯片设计出全数字控制系统的电路原理图及PCB图。软件方面编制了单片机控制的流程图，并在MATLAB环境下对桥式可逆直流脉宽调速系统做了仿真研究。

关键词：直流电动机,C8051单片机,数字PWM控制, IGBT

ABSTRACT
The direct current pulse width modulating speed system adopts the high frequency switch control method with the pulse width modulation(PWM), and comes into being PWM convertor---direct current speed adjustment system, whose brief name is PWM direct current speed modulation system. The totle digital control system takes microprocessor as a core, and it is shorted for singlechip digital control system. The popular project now is PWM direct current speed modulation system which adopts large scale integration electrocircuit constituted by the digital circuit and the big power apparatus that can be controlled to break. Then it develops into total digital direct speed modulation system with stronger function which is controlled by singlechip.
Based on the present conditions in this field all over the world, this dissertation detailedly analysed the working process of the reversible direct current PWM controlled by double poles bridge, and illustrated the merits and shortcomings of the direct current PWM system. Then doubled closed loop control of rotate speed and current was introduced in this dissertation , which strengthened the control function of the direct PWM system. Accessorial function of C8051 singlechip was also introduced, as well as a kind of chip—ICM 7218A which is used to connecting the tiny processing system and LED display.
According to the given parameters, work of this dissertation has been done. Aspects of hardware was done as follows. First, the project of the main loop was made. Second, types of the components were choosed. Finally, circuit diagram and PCB diagram of the total digital control system were designed by using the C8051 chip and ICM 7218A chip. Aspects of software was done as follows. First of all,the flow chart of the singlechip control was made. Second, the simulation of the reversible direct current PWM system was done basing on the MATLAB.

Keywords：direct current motor ； C8051 singlechip ； digital PWM control ； IGBT

目 录

1 绪论 1
1.1研究本课题的意义综述 1
1.2本课题所涉及的内容以及国内外发展情况综述 1
1.2.1直流调速控制技术发展概况 1
1.2.2交流调速控制技术发展概况 2
1.2.3计算机控制技术概况 3
1.3本课题的主要研究内容 3
2 直流调速系统 4
2.1直流调速方法 4
2.1.1直流调速方法概述 4
2.1.2三种调速方法的性能与比较 4
2.2直流斩波器或脉宽调制变换器 6
2.3直流脉宽调速系统 9
2.3.1双极式控制的桥式可逆PWM变换器 9
2.3.2电能回馈与泵升电压的限制 12
2.4转速、电流双闭环直流调速系统 13
2.4.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 14
2.4.2稳态结构图和调节器的限幅作用 14
2.4.3转速和电流两个调节器的作用 15
3 Cygnal C8051FXXX 系列单片机 16
3.1 Cygnal C8051FXXX 系列单片机特点 16
3.1.1 Cygnal C8051 单片机的片内资源和主要特点 16
3.1.2 增加的功能 17
3.2 C8051 单片机的组成 18
3.2.1 C8051 单片机的结构 18
3.2.2中断系统 19
3.2.3定时器∕计数器 21
3.3 C8051 用于控制电动机时的输入输出端口设置 22
3.4电动机控制中的模∕数转换在C8051中的实现 23
3.5 ICM7218芯片说明 24
3.5.1 ICM7218芯片特点 24
3.5.2 ICM7218管脚及其与单片机的连接 24
4 全数字控制的桥式可逆直流脉宽调速系统的设计 25
4.1全数字控制系统的电路原理图及组成 25
4.1.1电路原理图及PCB图 25
4.1.2原理图组成及各部分的功能说明 28
4.2选型设计计算 31
4.2.1主回路 31
4.2.2检测回路 38
4.2.3键盘、显示电路 40
4.2.4电源部分 40
4.3单片机控制软件流程图及说明 41
4.3.1流程图及算法说明 41
4.3.2 M∕T法数字测速和数字PI调节器原理 53
4.4基于MATLAB对直流脉宽调速系统开环特性的仿真研究 57
4.4.1仿真框图 57
4.4.2仿真波形 57
4.4.3仿真分析 58
4.5基于MATLAB对直流脉宽调速系统闭环特性的仿真研究 58
4.5.1仿真框图 58
4.5.2调节器的参数整定 61
4.5.3仿真结果 63
4.5.4波形分析 64
4.5.5对比分析 65
5 总结 65
参考文献 67
附录1 69
翻译部分 70
中文译文 70
英文原文 85
致 谢 105




1 绪论[1]
1.1研究本课题的意义综述
直流脉宽调速系统，是采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器——直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。
随着电力电子技术和控制技术的的发展，20世纪末以交流调速为主导方向调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，它的控制技术已居世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM调速系统的出现，弥补了这个空白。PWM调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。
特别是近几年大功率CTR、GTO、IGBT的相继问世，促使其生产水平已达到4500V、2500A，组成的PWM变换器用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中。因此对PWM调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。
全控型电力电子技术和单片机技术的发展，促使模拟控制转向全数字化控制。全数字控制系统是以微处理器为核心的数字控制系统，简称微机数字控制系统，主要特点是离散化和数字化。它的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。因此目前流行的方案是采用由数字电路组成的大规模集成电路，加上大功率自关断器件组成直流脉宽调速系统（PWM）。进而发展成用单片机控制的功能更强的全数字微机控制的直流调速系统。
1.2本课题所涉及的内容以及国内外发展情况综述
1.2.1直流调速控制技术发展概况
由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、整流供电和晶闸管供电三类。其中，晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究。
① 提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000KW，国外单机容量已达14500KW。
② 提高电力电子器件的生产水平，增加品种。20世纪50年代末出现的无自关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后，出现了能自关断的全控型器件，如电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力场效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等称之为第二代电力电子器件。其中，IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，既有MOSFET电压控制器件驱动功率小、开关频率较高（一般为20KHz以下）的特点，又有GTR电压电流值较大的长处。因此，在中等容量的变频器、逆变器中，得到了广泛的应用。然而目前，在高电压（4500V以上）和大电流（2000A以上）范围，还不得不使用GTO晶闸管。80年代以后，出现了电力集成电路（PIC），属于第三代电力电子器件，在PIC中，不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过流保护、电流检测甚至温度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。
电力电子技术的发展使直流传动得到了新的发展，以往普遍使用的是晶闸管相控整流—直流电机调压调速系统，现在也发展了全波不控整流——PWM斩波——直流电机调压调速系统，这也正是本课题所研究的。
③ 提高控制单元水平。目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成的叫直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，相当于国外第二代产品。目前，国外的第四代以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。
1.2.2交流调速控制技术发展概况
交流电动机与直流电动机相比，有结构简单、牢固、成本低廉等许多优点，缺点是调速困难。自从微处理机出现以后，国外在绕线式转子异步电动机串级调速、无换向器电动机调速、笼式异步电动机的矢量控制以及脉宽调制（简称PWM）技术方面，都已取得了重大突破与发展，进入了工业应用阶段。尤其是20世纪70年代后不断涌现出新型电力电子器件，变频技术获得了日新月异的发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美，目前，交流调速逐步取代直流调速已成为明显的发展趋势。
随着现代控制理论的发展，交流调速控制技术的发展方兴未艾，非线性解耦控制、人工神经网络、自适应控制、模糊控制等各种智能控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速控制技术的发展。
1.2.3计算机控制技术概况
为实现综合自动化，国外在集散型计算机控制系统方面已有定型成套装置，对复杂的电气自动化系统进行在线实时控制，技术已过关，尤其是单片机的出现给控制带来了很多方便之处。实现非线性控制比模拟电路更加方便、可靠，参数调节容易。目前的发展方向是大型化和智能化。
此外，由于计算机控制技术的发展，实时运行的图形功能比较强，对控制过程的参数和状态可以从图形中得到比较直观的了解，便于对系统进行在线监控与管理。