直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

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第 I 頁 摘 要 當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流驅(qū)動控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。 特別是在直流電動機廣泛應用的電氣傳動領(lǐng)域，起到至關(guān)重要的作用。直流電動機因為具有良好的調(diào)速性能和比較大的起動轉(zhuǎn)矩，一直被應用在電氣領(lǐng)域，尤其是在需要調(diào)速性能很高的場所。在制造業(yè)、工農(nóng)業(yè)自動化、鐵路與運輸?shù)刃袠I(yè)都被廣泛的應用，隨著市場的競爭力，對直流電動機的需求也越來越高，同時對直流電動機的調(diào)速性能也有了更高的要求。因此，研究直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的調(diào)速性能有著很重要的意義。 在本次 的設(shè)計中采用 制直流電動機轉(zhuǎn)速。 沖受到 法的控制，被用來控制直流電動機的轉(zhuǎn)速。同時利用安裝在直流電動機轉(zhuǎn)軸上的光電式傳感器，將直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，反饋到單片機，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改變不同占空比的 沖就可以實現(xiàn)直流電動機轉(zhuǎn)速控制。 本論文對每一個方案的選擇都進行詳細的論述，在軟件和硬件部分都進行了模塊化。硬件部分首先給出一個以 片機為核心的整體結(jié)構(gòu)圖，并對驅(qū)動電路、顯示電路等模塊進行詳細的闡述。在軟件部分給出整體程序流程圖，對 法程序、 顯示程序等模塊詳細的闡述。本次系統(tǒng)設(shè)計的具有抗干擾能力強、性價比高、維修簡單方便等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞 ： 片機；直流電動機；轉(zhuǎn)速控制 第 in of As of an in in C is in of DC of in in of Is in of of C is of C it is to of C In WM C is by ID is to C At on of C C is a to a of WM C In of in in In of we a as in In WM in of so DC 目錄 目 錄 摘 要 ................................................................................................................ I .................................................................................................... 緒論 ............................................................................................................. 1 題背景 ....................................................................................................................... 1 題研究的目的和意義 ............................................................................................... 2 設(shè)計的內(nèi)容及意義 ................................................................................................... 2 ........................................................................................................... 2 ........................................................................................................... 2 流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理 ................................................................................... 3 沖控制原理 ..................................................................................................... 4 ........................................................................................................ 5 本原理 ................................................................................................................ 6 章小結(jié) ....................................................................................................................... 8 2 系統(tǒng)整體方案 ............................................................................................. 9 統(tǒng)設(shè)計任務與設(shè)計要求 ........................................................................................... 9 ........................................................................................................... 9 ........................................................................................................... 9 統(tǒng)方案論證 ............................................................................................................... 9 ............................................................................................... 9 ..................................................................................... 10 ......................................................................................... 10 ................................................................................................. 10 ................................................................................................. 11 ................................................................................................. 11 統(tǒng)的組成 ................................................................................................................. 12 章小結(jié) ..................................................................................................................... 12 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 ........................................................................................... 13 片機最小系統(tǒng) ......................................................................................................... 13 ............................................................................................. 13 振電路 ................................................................................................................ 14 位電路 ................................................................................................................ 15 立式鍵盤電路 ......................................................................................................... 15 晶顯示電路 ............................................................................................................. 16 源電路 ..................................................................................................................... 16 動機驅(qū)動電路 ......................................................................................................... 17 目錄 電式傳感器測速電路 ............................................................................................. 18 章小結(jié) ..................................................................................................................... 19 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ........................................................................................... 20 統(tǒng)模塊主程序設(shè)計 ................................................................................................. 21 始化模塊程序 .................................................................................................... 21 鍵掃描模塊程序 ................................................................................................ 23 晶顯示模塊程序 ................................................................................................ 25 動 機調(diào)速模塊程序 ............................................................................................ 26 章小結(jié) ..................................................................................................................... 29 5 樣機硬軟件調(diào)試 ....................................................................................... 30 機 硬件調(diào)試 ............................................................................................................. 30 件焊接與整板調(diào)試 ............................................................................................ 30 ......................................................................................................... 30 件調(diào)試與硬件調(diào)試實驗 ......................................................................................... 31 ................................................................................................................. 31 ................................................................................................................. 31 試遇到的困難 ......................................................................................................... 32 章小結(jié) ..................................................................................................................... 32 6 結(jié)論 ........................................................................................................... 33 致 謝 ............................................................................................................. 34 參考文獻 ......................................................................................................... 35 附錄一 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計原理圖 ........................................... 36 附錄二 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計 ......................................... 37 附錄三 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計 C 語言原程序 .............................. 38 附錄四 元件清單 ........................................................................................... 43 第 1 頁 共 43 頁 1 緒論 題背景 近年來直流電動機飛速的發(fā)展。而今市場上有各類各樣的直流電動機，場合不一樣使用者不一樣的電動機。大到如醫(yī)療器械、航空業(yè)、工農(nóng)業(yè)自動化、制造業(yè)、加工業(yè)等；小到家庭里的家用電器和電子產(chǎn)品等，絕大部分都使用直流電動機。隨著微機技術(shù)和電力電子技術(shù)的相結(jié)合，對自動控制系統(tǒng)的控制性能了提出了更高的要求，特別是在電氣傳動領(lǐng)域的直流電動機調(diào)速控制 。對調(diào)速系統(tǒng)性能要求高的有汽車、電梯、車床、航空工業(yè)、高鐵等領(lǐng)域，特別是國防領(lǐng)域中坦克、雷達、火炮、戰(zhàn)斗機等應用很廣泛。直流電動機轉(zhuǎn)速控制主要由四個部分構(gòu)成：控制器部分、功率輸出部分、反饋部分、電動機部分。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)、制作工藝、提高檔次等需要，這些不同的部分組合，可以得到調(diào)速多樣化的調(diào)速系統(tǒng)。 近三十年來，直流電動機在電氣傳動方面發(fā)生了顯著的改變。首先，出現(xiàn)了整流器的時代，可控硅整流裝置取代了傳統(tǒng)使用的直流發(fā)電動機、電動機組及水銀整流裝置使得直流電動機的發(fā)展又向前邁進了一大步。與此同時，控制電路已經(jīng)發(fā) 展成集成化，具有體積小，可靠性高，成本低的特點。這些技術(shù)的使用，使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能有明顯的改善，應用范圍變得更加廣泛。直流電動機調(diào)速技術(shù)正在不停的改善，相信在將來會逐漸的變成一項極其重要的調(diào)速技術(shù)和重要的研究課題。 在直流電動機控制方面，微機控制器和專門的 制芯片的使用也占有很重要的作用，它們是為了提高直流電動機調(diào)速性能被專門制造出來。整篇文章是對基于單片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制進行了進一步的研究。從直流電動機的調(diào)速原理開始，逐漸的建立了一個以 速系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制模型，同時結(jié)合制 算法，將微機技術(shù)和自動控制系統(tǒng)相結(jié)合并且應用在直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中。微機有體積小、能耗低、功能強大等特點，并且還有很多的外接口來接外圍電路，運算速度快等優(yōu)勢。將它們相聯(lián)結(jié)就可以組成一個閉環(huán)反饋轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。運用微機技術(shù)時，分別對顯示電路、測速原理、驅(qū)動電路等模塊進行了硬件和軟件上的闡述。 隨著電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的突飛猛進，微機技術(shù)也據(jù)有更重要的作用。目前的發(fā)展趨勢是以微機控制技術(shù)為核心的各種自動控制系統(tǒng)，利用計算機可以將復雜的控制規(guī)律簡單化，更加能夠容易的構(gòu)建數(shù)學模型。以計算機為核心的微機控制技術(shù) ，被廣泛的應用在直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，不僅調(diào)高系統(tǒng)的可靠性、抗干擾能力、穩(wěn)定性。 第 2 頁 共 43 頁 題研究的目的和意義 在現(xiàn)代社會中，自動控制系統(tǒng)已經(jīng)遍及到我們生活領(lǐng)域的各個方面，例如在醫(yī)療器械、汽車制造業(yè)、鐵路運輸業(yè)、煤礦業(yè)、輪船業(yè)、電力行業(yè)、加工業(yè)等多個領(lǐng)域。而這些設(shè)備的動力絕大部分都是由直流電動機提供，因此在工業(yè)領(lǐng)域中直流電動機的應用是非常廣泛的。在那么多種類的電動機中，只有直流電動機有良好的起動性和調(diào)速性，所以在對起動性和調(diào)速性較高的場所被廣泛的應用。因此在電氣傳動領(lǐng)域繼續(xù)研究直流電動機調(diào)速這一課題依然 很重要。 該系統(tǒng)是基于單片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，它可以分為四大組成模塊：單片機主控核心模塊、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)定和顯示模塊、功率控制輸出模塊。本次的設(shè)計思路是：采用 片機為主控核心，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生 沖，控制電動機轉(zhuǎn)動。測得的實際轉(zhuǎn)速和設(shè)定的轉(zhuǎn)速相比較，會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速偏差， 制算法會根據(jù)轉(zhuǎn)速偏差，改變 沖的占空比，從而調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速。同時利用安裝在直流電動機轉(zhuǎn)軸上的光電式感器，并將直流電動機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號，反饋到單片機，形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 通過基于單 片機的直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計，培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設(shè)計直流電動機的轉(zhuǎn)速控制、直流電動機的驅(qū)動和液晶顯示等外圍電路，采用 用到所學有關(guān)電動機等相關(guān)理論知識，結(jié)合實際設(shè)計的電路，做到理論結(jié)合實際。同時能夠掌握的基本自動控制技術(shù)和微機控制技術(shù)。 設(shè)計的內(nèi)容及意義 （ 1）轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊 （ 2）設(shè)定和顯示模塊 （ 3）功率控制輸出模塊 （ 4）電源模塊 （ 5）電動機驅(qū)動模塊 （ 6）單片機 最小系統(tǒng)模塊 電動機作為最主要的電能轉(zhuǎn)換成機械能的轉(zhuǎn)換裝置，它的應用已經(jīng)遍及各行各業(yè)和我們的日常生活。無論在航空工業(yè)、制造業(yè)、鐵路運輸?shù)阮I(lǐng)域，絕大部分都是在使用直流電動機來提供動力。很多對直流電動機都采用模擬法來調(diào)速控制，以致出現(xiàn)很多直流電動機轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)簡單的應用。在本次的設(shè)計中，主要 第 3 頁 共 43 頁 對直流電動機進行轉(zhuǎn)速控制和正反轉(zhuǎn)控制，采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。 同時通過基于直流電動機的轉(zhuǎn)速控制設(shè)計，培養(yǎng)設(shè)計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力，能夠使理論結(jié)合實際，檢驗自己的電路基本知識，加深對自動控制理論的理 解。 流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理 自動控制一般都是閉環(huán)控制，所謂的閉環(huán)控制系統(tǒng)，指的是根據(jù)被控對象輸出反饋來進行校正的控制方式， 它是將實際的測量值和設(shè)定值相比較，從而產(chǎn)生一個偏差值，根據(jù)偏差值得進行校正 。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將輸出量變化的偏差值作為比較量反饋給控制端以改變輸入量的大小，通常偏差值和輸入量恰恰相反，所以也叫做負反饋控制。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，構(gòu)成的系統(tǒng)是轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 1示是具有轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋控制的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，被調(diào)量是轉(zhuǎn)速n ，給定量是給定電壓 *在電動機軸上安裝測速發(fā)電動機用以得到與被測轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓*統(tǒng)將產(chǎn)生一個偏差電壓值然后經(jīng)過比例放大器 A，將產(chǎn)生電力電子變換 得到的控制電壓調(diào)速系統(tǒng)中，比例放大器又稱做比例 （ P） 調(diào)機器。從統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，而閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就是在于轉(zhuǎn)速 n 經(jīng)過測量元件反饋到輸入端與控制。 電力電子變換器 0d s U?直流電動機 0 電壓比較環(huán)節(jié) *n n U? ? ?比例調(diào)節(jié)器 c p U??測速反饋環(huán)節(jié) 上述各關(guān)系式中新出現(xiàn)的系數(shù)： 比例調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)； ? — 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（ r）。 第 4 頁 共 43 頁 圖 1速閉環(huán)反饋控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)圖 根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系關(guān)系式可以畫出閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 1示，方框中的文字符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。 圖 1速閉 環(huán)反饋控制直流電動機調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 沖控制原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即指窄脈沖的面積 [1]。 效果基本相同，指的是在慣性環(huán)節(jié)上輸出的響應波形基本相同。在低頻段的時候極其接近，但是在到了高頻段的時候差異有些大。 圖 1量相同形狀不同的窄脈沖 在 路中分別用圖 1的每一個窄脈沖加在上面，從圖 1-4 b 的響應波形* *nU?M f ( t )0 t )0 t )0 t )0 第 5 頁 共 43 頁 可以看出不同形狀相量相等的窄脈沖和輸出電流 ()變化。從波形上我們可以 看出， ()的形狀會隨著 ()上升部分而有差異，反而在下降部分基本相同。我們可以得出結(jié)論，脈沖取得越窄越好，這樣得到的 ()應波形的之間差別就越小。如果有規(guī)律的加上脈沖， 響應 ()跟著有規(guī)律。 響應 () 傅里葉級數(shù)分解以后，我們可以看到在低頻段時 ()應波形的差別很小，只有在高頻段有差別很大。 圖 1量相同的各種窄脈沖的響應波形 用正弦半波來替代那些幅度一樣寬度不一樣的脈沖，正弦半波被分成 N 等分，這些 N 個等分相連的脈沖序列，只是幅值不相等，寬度仍然相同 [2]。以致我們可以用矩形脈沖來代替幅值不相等，寬度相同的沖量相等，寬度還是按照正弦波的變化規(guī)律。 按照一定的規(guī)律導通和關(guān)斷電源，只要改變電源導通和關(guān)斷的時間比（占空比）就可以調(diào)節(jié)直流電動機的樞紐電壓。直流電動機的轉(zhuǎn)速會跟隨者樞紐電 壓的大小而改變，這就是 速控制的基本原理。在 速系統(tǒng)中，電動機的通斷時間可以控制轉(zhuǎn)速，因此只要我們有規(guī)律的改變供電電壓導通和關(guān)斷的時間就可以控制電動機的轉(zhuǎn)速。 成的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，無論是停止或者起動，對系統(tǒng)沒有沖擊起動時功耗不大、電動機運行很穩(wěn)定。 由 制的基本原理我們可以得到這樣一個結(jié)論：在一個時間段內(nèi)將 同一時間內(nèi)將沖量相等的電流加在負載上的電壓效果是一樣的。假如時間段 T 內(nèi)的脈沖寬度為0t， U 為幅 值，就可以達到 T 時間內(nèi)等效直流電壓為： 第 6 頁 共 43 頁 圖 1沖 00 ?? ； 若令 0 ， ? 即為占空比，則上式可化為： 0?(U 為脈沖幅值 ) （ 1 假如 沖像如圖 1示的周期性的矩形脈沖，我們就可用 （ 1的式子計算出直流電動機調(diào)速所需要的電壓，即 000 n t U T ??? ? ? ?（ ? 為矩形脈沖占空比） （ 1 圖 1周期性 形脈沖 通過 （ 1的式子可知，只要改變占空比 ? 和脈沖幅 值 U 的大小 ，就可以調(diào)節(jié)等效直流電壓值。在我們實際的系統(tǒng)中脈沖的幅值通常是恒定的，所以我們只要改變占空比 ? 的大小，就可以任意改變直流電動機電樞電壓 U 的大小。從而實現(xiàn)沖調(diào)制的直流電動機轉(zhuǎn)速控制的作用。 本原理 自動控制設(shè)計中應用最經(jīng)典最廣泛的一種算法是 制算法。加入 制器的系統(tǒng)，在自動控制方面可以得到最優(yōu)的效果。 P、 I、 D 三個參數(shù)有著不同的作用，它們分別的作用 ： P 是加快系統(tǒng)反應時間，使誤差減小； I 是消除穩(wěn)態(tài)偏差； D() 0 第 7 頁 共 43 頁 是抑制動態(tài)偏差。在調(diào) 試的時候，整定 P 的參數(shù)，讓系統(tǒng)達到基本的加快調(diào)節(jié)和誤差減少的作用。然后在再整定 I 的參數(shù)，使誤差為 0，最后再整定 D 的參數(shù)。 數(shù)整定的時候要反復去調(diào)試，這樣才會使控制系統(tǒng)得到最優(yōu)的效果。 1示。位置式和增量式在不考慮限幅時，它們的算法是一樣的。如果考慮限幅，它們還是存在差異的，增量式只需要輸出限幅；位置式必須要考慮設(shè)置積分和輸出限幅，兩者缺一不可。如果沒有把積分限幅加入，控制系統(tǒng)會產(chǎn)生退飽和超調(diào)，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 圖 1置型示意 圖 圖 1量型示意圖 由位置算法求出： ? ? 01( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n t K e t e t e t e t ?? ? ? ? ? ??????（ 1 在求出： ? ?1 01( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( 2 )n t K e t e t e t e t ??? ? ? ? ? ? ? ? ??????（ 1 為了得到增量式的控制算法，將上述的式子 （ 1與式子 （ 1相減。 ( ) ( ) ( 1 )u t u t u t? ? ? ? ? ? ? ?( ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )p I DK e t e t K e t K e t e t e t e t? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 1 式子 （ 1稱為增量式 法。 將 （ 1的式 子整理后，得到： 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u t q u t q u t q u t? ? ? ? ? ?（ 1 其中： 0 (1 )T? ? ? （ 1 1 (1 2 )? ? ? （ 1 第 8 頁 共 43 頁 2 （ 1 從上述分析的結(jié)果得出，我們可以看出每一次的誤差量對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的作用。因此，對于 法，我們只需要保存和提取最近的三個誤差采樣值，它們分別是 () ( 1)、 ( 2)）就可以了。 章小結(jié) 本章主要介紹了直流電動機的研究背景和研究的目的。同時也簡單的介紹了直流電動機的調(diào)速原理、數(shù)字 下文的硬件和軟件部分提供了基本的理論知識。 第 9 頁 共 43 頁 2 系統(tǒng)整體方案 統(tǒng)設(shè)計任務與設(shè)計要求 （ 1）了解 51 單片機 在實際中的應用，如何編輯程序，并燒錄到單片機中 ； （ 2）了解本次設(shè)計中應用到的單片機內(nèi)部具有的資源、功能、結(jié)構(gòu)等方面 ； （ 3）了解如何在實際中應用 術(shù)和 制算法 ； （ 4） 了解 直流電動機調(diào)速 的原理。 （ 1）完成單片機最小系統(tǒng)設(shè)計； （ 2）完成外圍應用電路（包括 單片機主控核心模塊、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)定和顯示模塊、功率控制 輸出模塊 ） 的 設(shè)計和實現(xiàn)； （ 3） 直流電動機初始速度為零，額定負載時，要求系統(tǒng)的單位階躍響應超調(diào)量 =10&&00; ###1=; 2=; 3=; 4=; 5=; 2^1; 2^2; N=; ; ; ,; ; ; ; //設(shè)定速度 p,d;//d,T; // 數(shù)定義 ek, //誤差參數(shù)定義 k; /****************中斷初始化程序 ******************************/ { 65536256; 65536256; ; 56 56; 1; 1; ; ; ; 第 39 頁 共 43 頁 } /****************增量式 制程序 ******************************/ { //偏差值 if(10&&00; //抗積分飽和 00; if( ; } //**************外部中斷服務程序 *******************// // 外中斷 0 服務函數(shù)，脈沖計數(shù) //測速周期內(nèi)每次來個脈沖 0_ { ; } 第 43 頁 共 43 頁 附錄四 元件清單 編號 型號、規(guī)格 描述 數(shù)量 編號 型號、規(guī)格 描述 數(shù)量 k 1/4W 電阻器 1 片電容器 1 0k 電阻排 1 0片電容器 1 0k 滑動電阻 1 片電容器 1 k 1/4W 電阻器 1 解電容器 1 0k 1/4W 電阻器 1 0片電容器 1 光二極管 2 片電容器 1 流二極管 4 00解電容器 1 源插座 1 2源晶振 1 晶顯示屏 1 腳開關(guān) 1 針座 1 腳按鍵 6 單排針座 1 7805端穩(wěn)壓器 1 單排針座 1 片機 1 單排針座 1 289N 電動機驅(qū)動 芯片 1 三腳插針 1