姓名  学号  指导
教师  职称
学历        教授
课题名称                直流电动机转速控制系统的软件设计
毕业设计（论文）类型（划√） 工程设计 应用研究 开发研究 基础研究 其他
    √ 
本课题的研究目的和意义：
　　直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。
　　随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。
　　采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。

文献综述（国内外研究情况及其发展）：
　　在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%用于电动机。电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。
　　19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。
　　在用电系统中，电动机作为主要的动力设备广泛地应用十工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的60％，成为用电量最多的电气设备。
　　根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。直流电机具有良好的起，制动性能好，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
　　自70年代电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂、非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题，国内、外学者进行了大量的研究。
　　1985年，德国的Depenbrock教授提出一种新的控制方法，即电动机直接转矩控制系统。它就是上述研究的结果。它不需要坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，理论上非常诱人。实验室条件下也已做出性能指标相当高的样机。只是还有些问题未解决，如低速时转矩观测器和转速波动等，未能产品化。现在市面上自称实现了转矩直接控制的系统，大多都是或者采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者同时观测转子磁链，作为直接转矩控制系统的校正。一来这种方法平稳切换的时机较难确定，目前德国大学的博士正在研究这个问题；二来如果低速时采用磁链定向矢量控制，或采用观测转子磁链的方法，还是要依赖转子参数。也就是说只要有转子磁链的成分在里面，就还是对转子参数较敏感。无法体现直接转矩控制的优势。看来，完全的转矩直接控制离产品化还有一段距离。
　　除此之外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等等方法的引入，使系统性能得到了改善。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观察器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响，因而需进一步探讨解决上述问题的途径。
　　20世纪60年代以前，直流调速一直以控制能力强、可靠性高、噪声低、控制电路简单等一系列优良的性能在传动领域中占据着主导地位。但是随着社会生产力及技术的不断发展，直流传动的薄弱环节逐步显示出来。
　　普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷,可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有无刷直流电动机外部特性的电子换相电机无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。
　　

　　有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，采用集成电路甚至专用集成电路。这些电路大多为模拟数字混合电路，既提高了可靠性、抗干扰性，又缩短了开发周期和研制费用，减小了体积，因而发展很快。
　　集成电路的出现对电机控制的影响是深远的。它大大地推动了电机控制行业的发展，至今仍具有广大市场，只可惜国内的集成电路厂商不能占到这一市场他们应该占到的份额。随着技术的进步，特别是数字化趋势广泛流行的今天，人们不会满足于停留在模拟数字混合的时代。
　　现在市面上较通用的变频器大多都是采用单片机来控制。应用较多的是8051系列产品。单相电机的变频调速已成为一种可行的方法，在这种调 速系统中，脉宽调制(PWM)技术仍然是提高调速性能的主要手段。虽然PWM技术的实现方法很多，然而，为了降低产品的制造成本，采用微机控制软件实 现PWM控制具有成本低、调制方式灵活等特点，比较适合于中小型电器产品的要求。
　　电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制，复杂控制是对电动机的转速转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。本次设计可以作为简单控制向复杂控制的过度，实现温度变化引起控制电压变化而使进行转速控制，为以后复杂控制设计做基础。
参考文献
[1]  顾绳谷.电机及拖动基础上册.第四版.北京:机械工业出版社,2007.10
[2]  无忧备件网.电动机的发展史,从发明到应用,
　　　http://www.51beijian.com/meitanbeijian/dianqi/diandongji/1248
[3]  李建忠.单片机原理及应用.第二版.西安:西安电子科技大学出版社， 2008.2
[4]  邱光灿.我国电机发展的历史与现状，http://www.kj008.com/paper/pp3845.html
[5]  中国工业网.2009年直流电机市场发展与分析报告
[6]  郭永贞.数字电子技术.第二版.西安:西安电子科技大学出版社
[7]  董秀峰.模拟电子技术.北京:中国铁道出版社,2006.12
[8]  王兆安,黄俊.电力电子技术.第四版.北京:机械工业出版社,2000
[9]  陈伯时.电力拖动自动控制系统.第三版.北京:机械工业出版社,2003.7
[10] 龚尚福.微机原理与接口技术.西安:西安电子科技大学出版社，2003.8
[11] 姚金生.元器件.北京:人民邮电出版社,1988.2
[12] Kavanagh R C. Improved Digital Tachometer with Reduced Sensitivity to Sensor Nonideality. IEEE Trans.Ind. Electron. , 2000 ,47 (4) : 890-897
[13] Prokin M. Extremely Wide range Speed Measurement Using a Double buffered Method. IEEE Trans. Ind. Electron. , 1994 ,41 (5) :550 – 559
[14] 王晓明.电动机的单片机控制.第二版.北京:北京航空航天大学出版社2007.8
本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：
研究内容：
    为直流电动机驱动模块、单片机、光电传感器（检测转速）、数码管显示模块、按键输入模块及上位机界面；通过按键及上位机输入电动机的转速，输入后单片机能够根据PID控制算法控制电动机的速度稳定在该速度值运行，且能够通过数码管实时显示当前的速度值；通过上位机界面实时绘制电动机当前的转速曲线；设计矩阵按键解析程序；设计数码管动态扫描程序；设计设计转速闭环PID控制程序；
成果形式:软件代码及论文一份

拟解决的关键问题：
　 在本设计中，需要实现直流电动机能够实现起动、停止、速度控制、方向控制等功能，并通过LED显示器将给定转速数值、旋转方向显示出来。所以，系统的软件将实现键盘和显示的处理功能。

研究思路、方法和步骤：
    采用AT89C51单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机，经过软件编程进行温度的比较和范围划定，然后通过程序控制由单片机产生不同的PWM（脉冲宽度调制）信号，送给电机驱动芯片L298的使能端口，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。

                                                系（部）主任（签名）：
年    月    日