脉冲宽度调制系统PWM.docx
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脉冲宽度调制系统PWM
脉冲宽度调制系统（PWM）
工学部
工学一部
专业
自动化
班级
5418502
学号
200514185043
姓名
黄建军
指导教师
杨明鑑
负责教师
沈阳航空工业学院北方科技学院
2009年7月
摘要
直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。
研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。
脉冲宽度调制（PWM）是在控制电路输出周期不变的情况下，通过输入设定不同的占空比，从而达到改变输出直流电压的目的。
本文通过使用PWM技术，对ADC0809采集到的电压进行模数转换，然后将转换成的数字量传送到AT89S52里，在通过周期不变的前提下，调节占空比，将其调节的结果在三位数码管上显示出来，而这整个调节过程的原理可以运用到调节电机的供给电压上来，以达到对直流电机的无级调速的目的。
关键词：
PWM；直流电机；无级调速
Abstract
DCmotorsarethemostcommontypeofmotor,invariousfieldshasbeenwidelyused.StudyofDCmotorcontrolandmeasurementmethod,toimprovethecontrolaccuracyandresponsespeed,energyconservationisimportantandsoon.Pulsewidthmodulation（PWM）controlcircuitintheoutputofthecycleremainunchanged,byenteringadifferentdutycyclesettings,changetheoutputsoastoachievethepurposeofDCvoltage.Inthispaper,throughtheuseofPWMtechnology,collectedADC0809ADCvoltage,andthenconvertthedigitaltransmissiontotheAT89S52,intheadoptionofthepremiseofthesamecycletoregulatethedutycycle,theresultsofitsregulationinthreebitdigitaltubedisplay,whichistheprincipleoftheadjustmentprocesscanbeusedtoadjusttheelectricalsupplyvoltagetableinordertoachievethesteplessspeedregulationofDCmotorpurposes.
Keywords:
PWM;DCMotor;Steplessspeedregulation
目录
1课题研究背景和意义1
1.1背景1
1.2意义1
2课题相关的国内外发展情况3
2.1PWM技术的发展情况3
2.2直流电机的发展情况4
3可行性分析5
3.1技术可行性分析5
3.2经济可行性分析5
3.3时间可行性分析5
3.4操作可行性分析6
4方案论证7
4.1PLC方案7
4.2硬件连接方案7
4.3单片机方案7
5理论设计8
5.1脉宽调制技术原理8
5.1.1模拟电路8
5.1.2数字控制9
5.1.3硬件控制器10
5.2PWM技术11
5.2.1PWM控制的基本原理11
5.2.2PWM相关概念13
5.3无级调速14
6系统设计16
6.1硬件设计16
6.1.1AT89S52硬件分析16
6.1.2A/D转换硬件分析19
6.2强电控制弱电22
6.3软件设计23
7调试分析25
8社会经济效益分析26
结论27
致谢28
参考文献29
附录Ⅰ总体连接图30
附录Ⅱ程序清单31
1课题研究背景和意义
脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。
这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。
脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
1.1背景
电是人们生活中不可缺少的东西，电灯，电话，电影，电视，洗衣机，电冰箱，无线电广播，X光透视等等都靠电。
人们饱尝了停电带来的不便，害怕停电，不希望停电，因此，各国都在大力发展电力产业。
大规模机器生产离不开动字，马达轰鸣是工厂生命的象征，电动机随人意转动是工业现代化的标志。
直流能避开电感电容产生的无功损耗和功率因数的下降，在变压，整流极可实现的今天，直流输电又重回日程上表。
我国已经建成了一条直流输电线，现在正准备建第二条实现西电东送。
直流电动机以其外特性硬著称，伴随直流输电解决了直流电源问题，直流电动机的使用越来越广泛，特别的各种精度要求非常的工厂更是对直流电动机的良好稳定的工作性能渴求以久，而现在终于得以实现了。
科学的发展，技术的进步使人们步入了精细的社会，交流电动机的变频，直流电动机的PWM实现无级调速，是精细化的重要内容。
1.2意义
无级调速能使电动机平滑起制动，免去了速度突变使乘电动机车人们站立不稳造成前俯后仰，甚至跌打损伤及坐电梯的人们心脏不适的感觉，电动机起停于不知不觉中有多惬意，可让人们更好的享受生活。
随着社会的发展，加工的机器零件外型越来越复杂，我国科技部立项的重大设备攻关项目五轴联动钛合金加工的数控机床就是用来加工飞机发动机叶轮等复杂外型，飞机零件的，要精密到头发丝的十分之几，甚至百分之几。
这就要求五轴电动机不但和谐运动，而且每轴电动机的转速根据零件外型和刀具所处位置无级变化，只有位置精确，速度精确，才能保证切削精确，才能保证加工质量。
显然电动机无级调速对精密加工，对我国装备制造业基地意义重大。
2课题相关的国内外发展情况
2.1PWM技术的发展情况
PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。
由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。
由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。
PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。
正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。
在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。
为求得改善，随机PWM方法应运而生。
其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。
正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。
随着电压型PWM变频器在高性能的交流传动系统中应用日趋广泛，PWM技术的研究越来越深入。
PWM利用功率半导体器件的高频开通和关断，把直流电压变成按一定宽度规律变化的电压脉冲序列，以实现变频、变压并有效地控制和消除谐波。
PWM技术可分为三大类：
正弦PWM、优化PWM及随机PWM。
正弦PWM包括以电压、电流和磁通的正弦为目标的各种PWM方案。
正弦PWM一般随着功率器件开关频率的提高会得到很好的性能，因此在中小功率交流传动系统中被广泛采用。
但对于大容量的电力变换装置来说，太高的开关频率会导致大的开关损耗，而且大功率器件如GTO的开关频率目前还不能做得很高，在这种情况下，优化PWM技术正好符合装置的需要。
特定谐波消除法（SelectedHarmonicEliminationPWM——SHEPWM）、效率最优PWM和转矩脉动最小PWM都属于优化PWM技术的范畴。
普通PWM变频器的输出电流中往往含有较大的和功率器件开关频率相关的谐波成分，谐波电流引起的脉动转矩作用在电动机上，会使电动机定子产生振动而发出电磁噪声，其强度和频率范围取决于脉动转矩的大小和交变频率。
如果电磁噪声处于人耳的敏感频率范围，将会使人的听觉受到损害。
一些幅度较大的中频谐波电流还容易引起电动机的机械共振，导致系统的稳定性降低。
为了解决以上问题，一种方法是提高功率器件的开关频率，但这种方法会使得开关损耗增加；另一种方法就是随机地改变功率器件的导通位置和开关频率，使变频器输出电压的谐波成分均匀地分布在较宽的频带范围内，从而抑制某些幅值较大的谐波成分，以达到抑制电磁噪声和机械共振的目的，这就是随机PWM技术。
2.2直流电机的发展情况
直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能，可以方便地在宽范围内实现平滑无级调速。
20世纪30年代，直流调速系统就已在重型和精密机床上得到广泛应用。
20世纪60年代以后，随着大功率晶闸管的问世、大功率整流技术和大功率晶体管的发展，晶闸管直流电动机无级调速系统取代了“直流发电机--直流电动机”、电磁放大机等直流调速系统，采用脉宽调制的直流调速系统也得到了广泛的应用。
3可行性分析
3.1技术可行性分析
脉宽调制系统设计的核心技术为单片机技术。
还涉及到其他技术如数据采集技术等，这些知识都学过。
现今以上技术均发展成熟，可以利用其进行实验。
以上几种技术涉及到我们学习的单片机原理与接口技术、微机计算机原理与接口技术、微型计算机控制技术，过程控制等几门课程。
需要掌握的具体知识有A/D转换、中断、LED数码显示等几个模块。
本人已初步掌握这些技术，可以利用这些技术完成毕业设计，技术分析可行，可以进行实验设计。
3.2经济可行性分析
毕业设计脉宽调制系统设计用到的实验设备为微型计算机、单片机和示波器。
以上设备价格便宜购买方便，经济上完全可以承受，经济分析可行。
3.3时间可行性分析
收集课题相关资料，熟悉设计相关元件，完成开题报告和3000字的相关英文资料翻译，完成总体的硬件电路和软件设计，温习汇编语言在第一周到第四周完成。
设计完善的硬件图，包括各个模块的精确设计。
有针对性的收集软件变成资料，准备开始上机编程在第五周到第六周完成。
购买材料，完成实验室硬件接线，开始编程调试，争取在第七周到第十周期间完成硬软件联调，实现毕业设计所需功能，通过导师验收。
在第十一周到第十四周完成毕业设计论文，期间每周听取导师对论文的意见和建议。
在第十五周到第十九周完善论文，扩充课题相关知识，准备毕业论文答辩。
按照该计划现在设计已经进行到论文阶段，时间分析可行。
根据以上时间计划，可以完成毕业设计所有内容，时间分析可行，可以进行实验。
3.4操作可行性分析
本次毕业设计主要利用单片机，涉及到的模块有A/D转换模块、AT98S52单片机、LED数码显示模块。
下面就对各个模块需要实现的功能进行介绍。
A/D转换模块功能：
完成0-5V电位器产生的模拟信号转化为需要的数字信号，0-5V的模拟量对应00H-FFH的数字量。
LED数码显示模块功能：
LED数码管显示0~100，也就是占空比的比值，电位器模拟量转换为数字量的00H-FFH。
最终设计实现以上功能，功能可行性分析可行。
4方案论证
4.1PLC方案
用PLC技术也能把这实验完美的做出来，但是考虑到现实中的PLC器材和成本价格都比较昂贵，而且PLC机器笨重，庞大，不利于搬动。
所以此方案不是最理想的。
4.2硬件连接方案
全用硬件也能把这实验做出来，但这样做的过程比较复杂，机动性也很差，工程量比较大，比较烦琐，所以容易出纰漏，因此这方案也不是最佳方案。
4.3单片机方案
此次方案简单，快捷，不仅各种实验所需的材料价格比较便宜，而且在市场上可以很方便的购买到。
单片机体积小，功能全，可靠性好。
因此此实验用这种方案是最合适的。
所以此实验我就选择的是单片机这一方案。
5理论设计
脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。
这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。
脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
5.1脉宽调制技术原理
5.1.1模拟电路
模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。
9V电池就是一种模拟组件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间产生变化，并可取任何实数值。
与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。
模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在（0V,5V）这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。
在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。
拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。
与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟改变电流值的大小控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。
其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。
能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。
模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作组件两端电压与电流的乘积成正比。
模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会。
5.1.2数字控制
由以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
由高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调变用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要频宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
下图中显示了三种不同的PWM信号。
图a是一个占空比为10%的PWM输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。
图b和图c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。
这三种PWM输出编码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。
例如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V的模拟信号。
图5.1PWM信号图
例：
用一块9V电池连接一个灯泡，使用PWM进行驱动的简单电路。
如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。
如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。
如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并像连接到了一个4.5V电池（9V的50%）上一样。
这种情况下，占空比为50%，调变频率为10Hz。
大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调变频率高于10Hz。
设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。
占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。
要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。
要想取得调光灯（但保持点亮）的效果，必须提高调变频率。
在其它PWM应用场合也有同样的要求。
通常调变频率为1kHz到200kHz之间。
5.1.3硬件控制器
许多微控制器内部都包含有PWM控制器。
例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。
占空比是接通时间与周期之比；调变频率为周期的倒数。
执行PWM作业之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：
设置提供调变方波的片上定时器/计数器的周期
在PWM控制缓存器中设置接通时间
设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚
启动定时器
使能PWM控制器
虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同，但它们的基本方向通常是相同的。
PWM广泛应用在多种系统中。
作为一个具体的例子，我们来考察一种用PWM控制的制动器。
简单地说，制动器是紧夹住某种东西的一种装置。
许多制动器使用模拟输入信号来控制夹紧压力（或制动功率）的大小。
加在制动器上的电压或电流越大，制动器产生的压力就越大。
可以将PWM控制器的输出连接到电源与制动器之间的一个开关。
要产生更大的制动功率，只需藉由软件加大PWM输出的占空比就可以了。
如果要产生一个特定大小的制动压力，需要藉由测量来确定占空比和压力之间的数学关系（所得的公式或查找表藉由变换可用于控制温度、表面磨损等等）。
例如，假设要将制动器上的压力设定为100P，软件将作一次反向查找，以确定产生这个大小的压力的占空比应该是多少。
然后再将PWM占空比设置为这个新值，制动器就可以相应地进行响应了。
如果系统中有一个传感器，则可以借由死循环控制来调节占空比，直到精确产生所需的压力。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
5.2PWM技术
脉宽调制（PWM:
（PulseWidthModulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
5.2.1PWM控制的基本原理
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。
图5.2.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。
其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。
从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各i（t）响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图5.2.2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。
图5.2.3用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
PWM电流波：
电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。
PWM波形可等效的各种波形：
直流斩波电路，等效直流波形，SPWM波，等效正弦波形，还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，也基于等效面积原理。
5.2.2PWM相关概念
占空比：
就是输出的PWM中，高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比
如，一个PWM的频率是1000Hz，那么它的时钟周期就是1ms，就是1000us，如果高电平出现的时间是200us，那么低电平的时间肯定是800us，那么占空比就是200：
1000，也就是说PWM的占空比就是1：
5。
分辨率也就是占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：
255（单斜率），16位的的PWM理论就是1：
65535（单斜率）。
频率就是这样的，如16位的PWM，它的分辨率达到了1：
65535，要达到这个分辨率，T/C就必须从0计数到65535才能达到，如果计数从0计到80之后又从0开始计到80.......，那么它的分辨率最小就是1：
80了，但是，它也快了，也就是说PWM的输出频率高了。
双斜率/单斜率
假设一个PWM从0计数到80，之后又从0计数到80.......这个就是单斜率。
假设一个PWM从0计数到80，之后是从80计数到0.......这个就是双斜率。
可见，双斜率的计数时间多了一倍，所以输出的PWM频率就慢了一半，但是分辨率却是1：
（80+80）＝1：
160，就是提高了一倍。
假设PWM是单斜率，设定最高计数是80，我们再设定一个比较值是10，那么T/C从0计数到10时（这时计数器还是一直往上计数，直到计数到设定值80），单片机就会根据你的设定，控制某个IO口在这个时候是输出1还是输出0还是端口取反，这样，就是PWM的最基本的原理了。
5.3无级调速
无级调速简称CV变速，是通过两组可以改变直径的齿轮或者皮带轮组成，由链条或皮带连接，通过改变齿轮或皮带轮的直径来控制变速比
由于皮带、链条的物理限制，不能用于扭矩较大的发动机（不过现在日产已经研究出可以承受300N.m的无级变速箱），常见于踏板摩托车（皮带传动），小型轿车（链条传动），卡丁车（皮带传动）
优点：
没有换档动作，方便，没有换档的顿挫感，传动效率
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