1引言
1.1课题的背景
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
1.2数字式调速国内外研究状况
所谓的数字式调速系统就是指由数字芯片作为核心控制器的调速系统，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路的制造工艺的迅速发展，数字控制芯片的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用高速的处理器来控制电机，完全各种新颖的、高性能的控制策略，使电机性能得到充分发挥，使电机的应用领域更宽，更符合实际使用要求，另外现在出现的各种便于控制的新型电机，也对调速提出了更高的要求。
比较简单的电机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。
对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有缺点，直流电机调速性能好，单带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，单在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便经济的调节。目前，广泛应用于数控机床等自动控制的数控位置伺服系统。为了提高性能，在先进的伺服系统中，已采用高速数字信号处理器（DIGITAL SIGNAL PROCESSOR,简称DSP），其指令执行速度达到每秒数百兆以上，非常适合用于数字滤波的构建和快速傅里叶变换等通用的数字信号处理运算。
1.3课题的实际意义
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随着微电子技术,微处理机以及计算机软件的发展,使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机,借助软件来实现。即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展,最后实现全数字化。
在数字化系统中,除具有常规的调速功能外,还具有故障报警,诊断及显示等功能,同时,数字系统通常具有较强的通信能力,通过选配适当的通信接口模板,可方便地实现主站(如上一级PLC或计算机系统)和从站(单机交,直流传动控制装置)间的数字通信,组成分级多机的自动化系统。为易于调试,数字系统的软件,一般设计有调节器参数的自化优化,通过启动优化程序,实现自动寻优和确定系统的动态参数,以及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等,有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用,新开发的调速系统几乎全是数字式的。与模拟系统类似, 全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点,技术更先进,操作方便。 数字调速系统与模拟调速系统相对比,技术性能有如下优点: (1) 静态精度高且能长期保持；
(2) 动态性能好,借助于丰富的软件,易于实现各类自适应和复合控制； (3) 调速范围宽； (4) 电压波动小；
(5) 参数实现软件化,无漂移影响； (6) 所用元件数量少,不易失效； (7) 设定值量化程度高,且状态重复率好； (8) 放大器和级间耦合噪声很小,电磁干扰小； (9) 调试即投产灵活方便,易于设计和修改设计；
(10) 标准及通用化程度高,除主CPU模块外,仅数种附加模块；可实现,包括工艺参数在内的多元闭环控制；
(11) 适用范围广,可实现各类变速控制及易于实现与单片机或PLC系统通信。
由此,数字化将在未来的调速设备中得到大量应用。
数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。
1.4课题内容
设计一个基于单片机的数字式直流电机调速控制系统，用单片机技术以及相应的仿真平台进行开发，制作并完成该系统。设计的主要要求如下：
1) 能形成闭环的控制系统 2) 能通过按键设置要求转速
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3) 能显示和设定当前电机的转速 4) 能够实现电机的正反转 5) 控制精度达到：+-1转/秒 6) 系统中要有过流保护
2系统方案设计
2.1驱动电路的论证与选择
（一）方案一：选择桥式可逆PWM变换器作为电机驱动电路。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。如图2.1所示。
这时，电动机M两端的电压U的极性随开关器件驱动电压的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里使用的是双极式控制的可逆PWM变换器。H形桥式电机驱动电路包括四个三极管和一个电机。
要使电机运行，就必须同时导通对角线上的两个三极管。根据不同三级管对的导通情况，电机的转动方向不一样。如图2.5所示。
图2.1H形桥式电路
例如，当三极管Q1与Q3同时导通时，电流从电源正极通过Q1和Q3回到电源的负极。这样，电机将会顺时针转动，如图2.2所示。当三极管Q2与Q4同时导通，电流从电源正极通过Q4和Q2回到电源的负极。这样，电机将会逆时针转动，如图2.3所示。
图2.2电机顺时针转动 图2.3电机逆时针转动
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双桥式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点[2]：
A. 电流一定连续。
B. 可使电动机在四象限运行。
C. 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。 D. 低速平稳性好，系统的调速范围可达1:2000左右。
E. 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍旧较宽，有利于保证器件的可靠导通。
双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。即使使用单极控制方式，使部分器件处于常通或者常断状态，以减少开关次数和开关损耗以及提高可靠性，但是系统的静、动态性能也会受到降低。
（二）方案二：选择L298芯片组成的电机驱动电路。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚的Multiwatt封装的L298N内部含四通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机或者一个步进电机。
L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是由于L298可接受标准的TTL逻辑电平信号，所以其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。
L298具有体积小，控制方便的特点。
在实际电路中，由于可逆PWM变换器的特殊性，要求四个三极管的性能基本一致，在实际中很难实现，而且用分离元件构建桥式可逆PWM变换器比较复杂。所以在实际应用中，本设计选用了L298组成的驱动电路。
2.2液晶显示模块的选择
LCD显示模块是一种被动显示器，具有功耗低，显示信息大，寿命长和抗干扰能力强等优点，在低功耗的单片机系统中得到大量使用。液晶显示模块和键盘输入模块作为便携式仪表的通用器件，在单片机系统的开发过程中也可以作为常用的程序和电路模块进行整体设计。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就显示黑色，这样即可显示出图形。
在单片机系统中使用液晶显示模块作为输出器件有以下优点:
(1) 显示质量高：液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器画质高而且不会闪烁。
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(2) 数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单。
(3) 体积小，重量轻。
(4) 功率消耗小：液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因此耗电量比其它显示器要小得多。
2.3按键电路的选择
键盘是人与计算机联系的重要手段，借此可向计算机系统输入（常称键入）程序、控制程序的执行走向等，所以使用非常广泛。单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。
编码键盘本身除了按键之外，还包括产生按键的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较为复杂。因此在微型计算机系统中使用编码键盘不多。
在非编码键盘中，按键的作用只是简单地实现接点的接通或者断开，因此必须有相应的程序与之配合才能工作，即非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码等问题。非编码键盘几乎不需要什么附加的硬件电路，目前，在微型计算机系统中获得较普遍的采用。
非编码的独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的状态。独立式按键的键盘扫描程序非常简单，只需检测每根I/O线的“0”、“1”状态。所以本设计选用非编码键盘中的独立式按键。
2.4处理器的选择
2.4.1 单片机的特点 单片机主要有如下特点[5]： 1.有优异的性能价格比。
2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
3.制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
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