基于单片机PWM控制的直流电机系统研究_开题报告

（一）、直流电机

1、直流电动机控制的发展历史

无刷直流电机主要由电机本体、功率驱动电路和位置传感器三部分组成，其控制涉及电机技术、电力电子技术、检测与传感器技术和控制理论技术。因此，新电子技术、新器件、新材料及新控制方法的出现都将迸一步推动无刷直流电机的发展和应用。

早在20世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的成果。

1955年，美国的D．哈里森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形，但由于电动机尚无起动转矩而不能产品化。

人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电动机产。品化的新纪元。

70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，以及高性能的永磁材料，如杉钴合金、铁钕硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。

2、直流电机的研究现状

电动机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，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。

3、直流电机的研究的意义

3.1 小型化和集成化

微机电系统(MEMS)技术的发展将使电机控制系统朝控制电路和传感器高度集成化的方向发展，如将电流、电压、速度等信号融合后在进行反馈，可使无刷直流电机控制系统更加简单而可靠。

3.2 先进控制策略的应用

经典的PID控制算法的优点为：简单紧凑，运行可靠，并且控制器一般可以通过模拟电路来进行实现。经典PID控制与模糊控制相结合，形成Fuzzy-PID控制；人工神经元网络和模糊控制相结合复合控制；人工神经元网络与数字滤波结合成自适应控制。

3.3 绿色PWM控制及其高效化

无刷直流电机控制系统采用双极性功率晶体管驱动时，驱动电路的开关频率一般在2-5kHz，该频率范围内引起的噪声在人耳声频范围之内，不利于人的身心健康。采用MOSFET和IGBT之后，开关频率可达几十千赫兹以上。这样，不论是电磁噪声还是电流波形都能得到改善。因此，在利用软开关等新技术来降低开关损耗、增加开关寿命，并保证系统效率不变或提高的前提下，提高驱动电路的开关频率可实现无刷直流电机系统控制的绿色化PWM控制。而在器件开关频率受限条件下，则可采用新的调制模式来提高PWM调制的工作频率，从而达到降低无刷直流电机转矩波动，提高系统效率的目的。另外，电机驱动功率管，尤其是MOSFET，在大电流下管压降大，功率管的损耗也大。因此，在允许范围内，控制时宜选用高电压、低电流功率管或采用高电压、低电流供电方式，则功率管压降占母线电压的比例会较小，这样可进一步提高系统的效率。

（二）、单片机

1、单片机发展及其主要种类

单片机是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机。随着大规模集成电路技术的发展，可以将中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）定时器计数器以及输入/输出（I/O）接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上，都已具有了微机系统的含义。由于单片机能独立执行内部程序，所以又称它为微型控制器（Microcontroller）。

自1971年Inter公司制造出世界上第一块微处理器芯片4004不久，就出现了单片微型计算机，经过之后的二三十年，单片机先后经过了4位机、8位机、16位机、32位机几个有代表性的发展阶段。

2、单片机的发展史

 2.1  4位单片机

自1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出4位单片机TMS—1000后，各个计算机生产公司相继推出4位单片机。 

2.2  8位单片机

1976年9月，美国Intel公司首先推出MCS-48系列8位单片机，单片机发展进入了一个新的阶段。由于集成度的限制，一般都没有串行接口，只提供小范围的寻址空间（小于8KB），性能相对较低，称为抵挡８位单片机。

2.3  16位单片机

1983以后，集成电路的集成度可达到十几万只管／片，出现了16位单片机。它内部集成多个CPU，8KB以上的存储器，多个并行接口，多个串行接口等，有的还集成高速输入/输出接口、脉冲宽度调制输出、特殊用途的监视定时器等电路。

2.4  32位单片机

近年来，各个计算机厂家已经推出更加高性能的32位单片机，但在测控领域对32位的单片机应用很少，因而，32位单片机使用不多。

3、单片机的应用

 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：

 3.1 单片机在智能仪表中的应用 

3.2 单片机在机电一体化中的应用 

3.3 单片机在实时控制中的应用 

3.4 单片机在分布式多机系统中的应用 

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，其发展趋势将是进一步向着CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

二、^范文提纲

一、引言

（一）直流电机的介绍

1直流电动机控制的发展历史

2直流电机的研究现状

3直流电机的研究的意义

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（二）单片机的介绍

1单片机发展及其主要类别

2单片机的分类

3单片机的应用

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二、无刷直流电机的工作原理

（一） 无刷直流电机的基本结构

（二） 无刷直流电机的工作原理

（三） 无刷直流电机的数学模型

（四） 无刷直流电机稳态运行特性

三、直流电机系统的整体结构和控制方法

（一）系统的整体方案

（二）系统结构

（三）控制芯片

3.1 控制芯片的选择

3.2 控制芯片的介绍

3.2 芯片的优点

（四）控制技术

4.1 调速原理

     4.2 电枢电压的调节方法

（五）控制策略

     5.1 PID控制

四、控制系统硬件电路

（一）电源电路

（二）功率驱动电路

（三）采样检测电路

（四）保护电路

五、控制系统软件

（一）PWM脉冲宽度调制的实现

（二）按键控制

（三）显示系统

六、总结与展望

三、参考文献

（10篇以上）

1、胡乾斌  单片机微型计算机原理与应用[M]   华中科技大学出版社， 1996

2、赵建领   单片机开发宝典[M]              电子工业出版社       2012.2

3、胡进德   51单片机应用基础[M]       湖北科学技术出版社       2011.1

4、周顺荣   电机学（普通高等教育十一五规划教材）[M] 科学出版社 2012.7

5、张广溢 郭前岗  电机学[M]            重庆大学出版社          2012.7

6、王福瑞  单 片微机测控系统设计大全[M] 北京航空航天大学出版社 1998.4

7、郑锋 51单片机应用系统典型模块开发大全   中国铁道出版社      2013.11

8、高锋   单片微型计算机原理与接口技术  科学出版社       2013.6

9、王兆安 黄俊 电力电子技术（第四版）[M]  机械工业出版社 2006.

10、廖无限 刘天磊  无刷电机驱动控制系统的研究[J] 株州工学院学报 2005.

11、王秀和    永磁电机[M]    中国电力出版社              2009

12韩峻峰 李玉惠   模糊控制技术[M]    重庆大学出版社      2003