直流電機控制設(shè)計畢業(yè)論文

第 頁摘要當(dāng)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(yīng)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。長期以來，直流電動機因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。 2本畢業(yè)設(shè)計主要是通過 PWM 調(diào)速器實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止等操作，并實現(xiàn)電路的仿真。為實現(xiàn)系統(tǒng)的微機控制，在設(shè)計中，采用了 AT89C51 單片機作為整個控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動模塊，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及 H 型驅(qū)動模塊組成。采用帶中斷的獨立式鍵盤作為命令的輸入，單片機在程序控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送 PWM 波形，H 型驅(qū)動電路完成電機正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計中，采用 PWM 調(diào)速方式，通過改變 PWM 的占空比從而改變電動機的電樞電壓，進而實現(xiàn)對電動機的調(diào)速。設(shè)計的整個控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個系統(tǒng)的性能得到提高。關(guān)鍵詞：直流電機，AT89C51 單片機，PWM 調(diào)速，仿真第 I 頁AbstractNowadays, automation control system has been widely used in all walks of life and development, and DC drive control as a mainstream electric drive plays a major role in the modernization of production. For a long time, because the DC motor speed regulation is more flexible, simple, easy-to-large-scale smooth speed control performance and good features, has been the dominant in the field of transmission.The graduation project is mainly achieved by PWM DC motor speed controller forward, reverse, speed up, slow down, stop and other operations, and to achieve the simulation of the circuit. To achieve microcomputer control system design, using a control circuit AT89C51 microcontroller as the core of the entire control system part, with various display driver module, the parameters of the motor speed display and measurement; by the command input module optical isolation module and H-drive module. Using a separate keyboard with interrupt input as a command, the microcontroller under program control, continuous optical isolation circuit to transmit PWM waveform, H-drive motor reversing control circuit is completed in the design, using PWM speed control mode by changing thus changing the duty cycle of the PWM motor armature voltage, and thus realize the motor speed. The whole control system design, the hardware structure with a lot of integrated circuit module, greatly simplifying the hardware circuit to improve the stability and reliability of the system, so that overall system performance is improved.Key words: Dc motor，AT89C51 microcontroller ，PWM speed,，Simulation第 II 頁目 錄1 緒論 .11.1 系統(tǒng)背景 .11.2 PWM 調(diào)速基本原理 .11.3 PWM 調(diào)速的優(yōu)越性 .31.4 直流電機控制系統(tǒng)概述 .42 直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 .52.1 直流電機控制系統(tǒng)基本原理 .52.2 直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 .52.3 各電路模塊原理 .62.3.1 AT89C51 單片機 .62.3.2 L298 電機驅(qū)動模塊 .82.3.3 H 橋驅(qū)動電路簡介 .112.3.4 直流電機模塊 .132.3.5 液晶顯示模塊 .143 直流電機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 .173.1 定時中斷程序設(shè)計 .173.2 直流電機的中斷鍵盤控制模塊程序設(shè)計 .183.2.1 外部中斷設(shè)置 .183.2.2 外部中斷擴展方法 .183.3 LCD 液晶模塊程序設(shè)計 .203.31 LCD 液晶顯示模塊如圖 3-4 所示 .203.3.2 顯示程序流程圖如圖 3-5 所示 .213.4 直流電機轉(zhuǎn)動模塊程序設(shè)計 .214 系統(tǒng)仿真 .24第 III 頁4.1 Proteus 仿真軟件 .244.2 Keil C51 開發(fā)系統(tǒng) .244.3 直流電機控制設(shè)計系統(tǒng)仿真 .244.3.1 系統(tǒng)剛啟動時的狀態(tài) .244.3.2 LCD 液晶顯示電路 .254.3.3 正轉(zhuǎn)時的狀態(tài) .264.3.4 反轉(zhuǎn)時的狀態(tài) .274.3.5 加速/減速時的狀態(tài): .275 總 結(jié) .28參考文獻 .29致 謝 .30第 0 頁1 緒論1.1 系統(tǒng)背景直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當(dāng)它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。 3直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻 R 即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中 PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM 具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了 PWM 技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。本次設(shè)計采用的就是 PWM 調(diào)速技術(shù)。1.2 PWM 調(diào)速基本原理PWM 調(diào)速總的來說是通過固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 6下面來詳細(xì)介紹 PWM 調(diào)速的原理：（1）直流電機轉(zhuǎn)速第 1 頁直流電機的數(shù)學(xué)模型可用圖 1-1 表示，由圖可見電機的電樞電動勢 Ea 的正方向與電樞電流 Ia 的方向相反，Ea 為反電動勢；電磁轉(zhuǎn)矩 T 的正方向與轉(zhuǎn)速 n 的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2 及空載轉(zhuǎn)矩 T0 均與 n相反，是制動轉(zhuǎn)矩。圖 1-1 直流電機的數(shù)學(xué)模型根據(jù)基爾霍夫第二定律，得到電樞電壓電動勢平衡方程式 1-1：U=Ea-Ia（Ra+Rc） 式 1-1式 1-1 中，Ra 為電樞回路電阻，電樞回路串聯(lián)保繞阻與電刷接觸電阻的總和；Rc 是外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。由此可得到直流電機的轉(zhuǎn)速公式為： n =Ua-IR/Ce 式 1-2式 1-2 中，Ce 為電動勢常數(shù)， 是磁通量。由 1-1 式和 1-2 式得n =Ea/Ce 式 1-3 由式 1-3 中可以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，當(dāng)勵磁電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定時，它的轉(zhuǎn)速由回在電樞兩端的電壓 Ea 決定，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快，電樞電壓降低到 0V 時，電機就停止轉(zhuǎn)動；改變電樞電壓的極性，電機就反轉(zhuǎn)。 11（2）PWM 電機調(diào)速原理對于直流電機來說，如果加在電樞兩端的電壓為圖 1-2 所示的脈動電流壓（要求脈動電壓的周期遠(yuǎn)小于電機的慣性常數(shù)），可以看出，在 T 不變的情況下，改變 T1 和 T2 寬度，得到的電壓將發(fā)生變化，下面對這一變化進一步推導(dǎo)。ra Ea n T0 2 I U T1 Rc 說 明 : U 電 壓 Ea 電 樞 電 動 勢n 轉(zhuǎn) 速 I電 樞 電 流 ra 電 樞 回 路 電 阻 Rc外 在 電 樞 電 阻 T1， T2負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 0 空 載 轉(zhuǎn) 矩 磁 通 量 最 大 值 Vmax平 均 值 d最 小 值 Vmint1t2T圖 1.3 PWM調(diào) 速 原 理 圖第 2 頁圖 1-2 施加在電樞兩端的脈動電壓設(shè)電機接全電壓 U 時，其轉(zhuǎn)速最大為 Vmax。若施加到電樞兩端的脈動電壓占空比為 D=t1/T，則電樞的平均電壓為：U 平=UD 式 1-4由式 1-3 得到：n =Ea/CeUD/ Ce=KD 式1-5在假設(shè)電樞內(nèi)阻轉(zhuǎn)小的情況下式中 K= U/ Ce，是常數(shù)。圖 1-3 為施加不同占空比時實測的數(shù)據(jù)繪制所得占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。圖圖圖圖 1-3 占空比與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系由圖看出轉(zhuǎn)速與占空比 D 并不是完全速的線性關(guān)系（圖中實線），原因是電樞本身有電阻，不過一般直流電機的內(nèi)阻較小，可以近視為線性關(guān)系。由此可見，改變施加在電樞兩端電壓就能改變電機的轉(zhuǎn)速成，這就是直流電機 PWM 調(diào)速原理。第 3 頁1.3 PWM 調(diào)速的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機調(diào)速系統(tǒng)，PWM 的 H 型屬于調(diào)壓調(diào)速，PWM 的 H 橋能實現(xiàn)大功率調(diào)速；國內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實現(xiàn)可控整流來實現(xiàn)直流電機的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計采用直流極式控制的橋式PWM 變換器。與 V-M 系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性： 9主電路線路簡單，需用的功率器件少。開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:20000 左右。若是與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強。功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。直流電機采用不控整流時，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點直流 PWM 系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能中。已完全取代了 V-M 系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。1.4 直流電機控制系統(tǒng)概述直流電機PWM控制系統(tǒng)的主要功能包括：直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)） 、暫停、連續(xù)功能。該直流電機系統(tǒng)由以下電路模塊組成：振蕩器和時鐘電路：這部分電路主要由80C51單片機和一些電容、晶振組成。設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成; LED數(shù)碼顯示部分由七段數(shù)碼顯示管組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊組成。第 4 頁2 直流電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 直流電機控制系統(tǒng)基本原理主體電路：即直流電機PWM控制模塊。這部分電路主要由80C51單片機的I/O端口、定時計數(shù)器、外部中斷擴展等控制直流電機的加速、減速以及電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機轉(zhuǎn)速的大小和了解電機的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實現(xiàn)電機的智能控制。其間，還包括直流電機的直接清零、啟動（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。其間是通過80C51單片機產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號并輸入到L298驅(qū)動芯片來控制直流電機工作的。該直流電機PWM控制系統(tǒng)由以下電路模塊組成：設(shè)計輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨立式鍵盤來實現(xiàn)。設(shè)計控制部分：主要由80C51單片機的外部中斷擴展電路組成。設(shè)計顯示部分：包括液晶顯示部分和LED數(shù)碼顯示部分。液晶顯示部分由1602LCD液晶顯示模塊組成。直流電機PWM控制實現(xiàn)部分：主要由一些二極管、電機和L298直流電機驅(qū)動模塊組成。2.2 直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖系