直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案 0 前言 電動(dòng)機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置， 其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運(yùn)輸，國(guó)防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)， ）中，都大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料顯示，在 所有動(dòng)力資源中，百分之九十以上來自電動(dòng)機(jī)。同樣，我國(guó)生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動(dòng)機(jī)的。電動(dòng)機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對(duì)電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單控制應(yīng) 用比較多。簡(jiǎn)單控制是指對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。然而近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以及市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能、過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)顯得十分重要，為了能夠適應(yīng)發(fā)展的要求，單閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展。而作為單片嵌入式系統(tǒng)的核心 單片機(jī)，正朝著多功能、多選擇、高速度、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量和強(qiáng) I/O 功能等方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)檔次的不斷提高，功能的不斷完善，單片機(jī)已越來越廣泛地應(yīng)用在 各種領(lǐng)域的控制、自動(dòng)化、智能化等方面，特別是在直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，功能全，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強(qiáng)，造價(jià)低等。所以選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可行性。 2 1 總體方案設(shè)計(jì) 統(tǒng) 方案 針對(duì)本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行分析得到：本次課程設(shè)計(jì)以 片機(jī)為核心，以 5 個(gè)彈跳按鈕作為輸入端，達(dá)到控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速。在設(shè)計(jì)中，采用 術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 統(tǒng) 構(gòu)成 該直流電機(jī)控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在總體上大致可分為以下 5 個(gè)部分組成：輸入模塊，片機(jī)，電源模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，直流電機(jī)。 系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。 圖 1 系統(tǒng)原理框圖 路工作原理 根據(jù)勵(lì)磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵(lì)和他勵(lì)兩種類型。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對(duì)于直流電機(jī)來說，認(rèn)為機(jī)械特性方程式為： n=)-(a)/(N)T=n （公式 1 式中 N 定磁通量； 樞內(nèi)電阻； n ， n 理想空載轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速降。 分析 公式 1得，當(dāng)分別改變 N 和 ，可以得到不同的轉(zhuǎn)速 n，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的調(diào)節(jié)。由于 =T，當(dāng)改變勵(lì)磁電流 ，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流 磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對(duì)于調(diào)節(jié)電樞外加電阻 ，會(huì)使機(jī)械特性 變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。 通過控制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(jìn)而達(dá)入模塊 電源模塊 驅(qū)動(dòng)模塊 直流電機(jī) 3 到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在 動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過改變直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， 被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律 ，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。當(dāng)我們改變占空比時(shí)，可以得到不同的電機(jī)平均速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 案選擇 方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)智能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)起來很困難。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)容易損壞、壽命較短、可靠性不高。 方案三：采用驅(qū)動(dòng)芯片 動(dòng)直流電機(jī)， 有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 綜合各方面的因素，采用了方案三。 2 硬件電路設(shè)計(jì) 統(tǒng)分析與硬件設(shè)計(jì) 鍵盤向單片機(jī)數(shù)日相應(yīng)控制指令，由單片機(jī)通過 中一口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 沖，另一口輸出低電平，經(jīng)過信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)來控制電路，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。 片機(jī) 用 列單片機(jī)的升級(jí)版，由世界著名半導(dǎo)體公司 購(gòu)買計(jì)結(jié) 構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢(shì)技術(shù) 閃存生產(chǎn)技術(shù)對(duì)舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時(shí)使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時(shí)，世界上其他的著名公司也通過基本的 51 內(nèi)核，結(jié)合公司自身技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)生產(chǎn)，推廣了一批如 51高性能單片機(jī)。 內(nèi)集成 256 字節(jié)程序運(yùn)行空間， 8K 字節(jié) 儲(chǔ)空間，支持最大 64k 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在 0間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個(gè)定時(shí)器、 8 個(gè)中斷、軟件設(shè)置低耗能模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?4V 到 電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的 4 功耗不斷降低。同時(shí)，該單片機(jī)支持計(jì)算機(jī)并口下載，簡(jiǎn)單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價(jià)格讓該型號(hào)單片機(jī)暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場(chǎng)合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計(jì)根據(jù)最小系統(tǒng)有時(shí)需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插封裝。 位電路和時(shí)鐘電路 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊，復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。 有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位 ，所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 由于單片機(jī) 輸出的電壓最高才有 5V，難以直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。所以我們需要使用恒壓恒流橋式 2A 驅(qū)動(dòng)芯片 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 接受標(biāo)準(zhǔn) 輯電平信號(hào)，可接 V 電壓。 4 腳接電源電壓，電壓范圍 +6V。輸出電流可達(dá) 驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。 驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)電動(dòng)機(jī)， 間可分別接電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng) 機(jī)。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。同時(shí)需要加四個(gè)二極管在電機(jī)的兩端，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流燒壞電機(jī)。具體驅(qū)動(dòng)電路如下： 圖 2 驅(qū)動(dòng)電路 盤電路設(shè)計(jì) 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速五個(gè)開關(guān)分別與單片機(jī)的 5 連，然后再與地相連。正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)，停止實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的停轉(zhuǎn)，加速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加速，減速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的減速，具體鍵盤電路如下： 圖 3 鍵盤電路 3 軟件設(shè)計(jì) 用軟件的編制 和 調(diào)試 使用 件編程時(shí)，項(xiàng)目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項(xiàng)目的流程較為相似。 (1)創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，從器件庫(kù)中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置； (2)用 C 語言或會(huì)變語言創(chuàng)建源程序； (3)用項(xiàng)目管理器生成應(yīng)用； (4)修改源程序中的錯(cuò)誤； (5)測(cè)試，連接應(yīng)用。 序總體設(shè)計(jì) 利用 ，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等目的。由軟件編程從 號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟 件采用延時(shí)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。按動(dòng)正轉(zhuǎn)按鈕后，根據(jù) 高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)， 高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整 6 輸出高低電平時(shí)的有效值，進(jìn)而控制電機(jī)的加減速。其主程序流程如圖 2 所示： 圖 4 主程序流程圖 停止 鍵盤掃描 是否有鍵按下 開始 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 加速 減速 N Y 7 真圖形 按下“正轉(zhuǎn)”按鈕，直流電機(jī)運(yùn)行效果如圖所示： 圖 5 電機(jī)正轉(zhuǎn) 按下“加速”按鈕，直流電機(jī)正向加速，運(yùn)行效果如圖所示： 圖 6 電機(jī)正轉(zhuǎn)加速 8 按下“減速”按鈕，直流電機(jī)正向減速，運(yùn)行效果如圖所示： 圖 7 電機(jī)正轉(zhuǎn)減速 按下“停止”按鈕，直流電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行效果如圖所示： 圖 8 電機(jī)停轉(zhuǎn) 9 按下“反轉(zhuǎn)”按鈕，直流電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，運(yùn)行效果如圖所示： 圖 9 電機(jī)反轉(zhuǎn) 4 調(diào)試分析 在調(diào)試時(shí)，由于子程序有很多，有時(shí)沒法將每一個(gè)子模塊都運(yùn)行到，自然也無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的疏漏。為了解決這個(gè)問題，更好地查找錯(cuò)誤，我解決的方法是將各個(gè)模塊分別進(jìn)行調(diào)試。例如在調(diào)試某一模塊時(shí)，先將其他模塊用“ /”暫時(shí)屏蔽掉，直到各個(gè)子模塊都健康運(yùn)行后，再整體調(diào)試，這樣我們更加容易找出錯(cuò)誤，增加效率。軟件調(diào)試需要不斷的在單片機(jī)上執(zhí)行看輸出的結(jié)果，如果每次都在硬件上操作比較麻煩，因此我使用了“ 真軟件，將我們的電路硬件搭建出來，在這個(gè)平臺(tái)上調(diào)試軟件，并且達(dá)到了比較好的效果。 5 結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想 根 據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)要求， 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停止能功能。 但是由于 我對(duì)數(shù)碼管等顯示模塊掌握度不夠 ， 系統(tǒng) 還 不能顯示出電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，如果可以再多給我一些時(shí)間，我 一定 能 設(shè)法用 數(shù)碼管顯示出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 。 10 參考文獻(xiàn) 1 王鑒光 控制 系統(tǒng) 北京機(jī)械工業(yè) 出版社 ,1994 2 劉小春 ,首桁 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 ,2009 3 王小明 北京 :北京航空航天 大學(xué)出版社 ,2002 4 張堔 北京 :北京機(jī) 械工業(yè) 出版社 ,1996 5 孫涵芳 ,徐愛卿 6 系列 單片機(jī) 原理及應(yīng)用 北京航空航天 大學(xué)出版社 ,1977 6 何立民 用 技術(shù)選編 北京航空航天 大學(xué)出版社 ,2003 7 史國(guó)生 統(tǒng) 化學(xué)工業(yè) 出版社 ,2002 8 楊興姚 調(diào)速的原理 及系統(tǒng) 北京水利電力 出版社 ,2003 11 課設(shè)體會(huì) 通過本次課程設(shè)計(jì)，我從直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建中深深的體會(huì)到軟件對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說是多么重要。軟件可以說是一個(gè)系統(tǒng)的靈魂 ,在工作中指導(dǎo)硬件按照指定的方案運(yùn) 行。對(duì)于剛學(xué)匯編不久的我來說 ,編制一個(gè)完整的系統(tǒng)軟件可謂無任何經(jīng)驗(yàn)可言。在設(shè)計(jì)過程中 ,我們主要學(xué)習(xí)體會(huì)了單個(gè)模塊的搭建與編程 ,例如鍵盤子程序 , 中斷子程序等等。在這個(gè)系統(tǒng)搭建過程中 ,不但要將這些子模塊有機(jī)的結(jié)合在一起 ,還要讓它們較好的協(xié)調(diào)起來 ,按照我們思路運(yùn)行，可以說是比較困難的。 由于我缺乏經(jīng)驗(yàn)，所以經(jīng)常犯下許多低級(jí)錯(cuò)誤。單片機(jī)編程是不能想當(dāng)然的，我最容易犯的錯(cuò)誤就是不經(jīng)論證就去按照自己覺得可行的思路去進(jìn)行，往往導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。例如我原來在編制顯示子程序時(shí)，只記得將相應(yīng)段碼與位碼相對(duì)照，卻忘記了實(shí)際 硬件是共陰極還是共陽極；還有顯示間隔時(shí)間的問題，我本以為長(zhǎng)短無所謂，但結(jié)果是如果間隔大于 10會(huì)產(chǎn)生閃爍感，導(dǎo)致沒有靜態(tài)的效果，而間隔太短的話必須在顯示下一個(gè)之前，將前一個(gè)位選清除，否則就容易產(chǎn)生“串位”，導(dǎo)致顯示的不正常；在鍵盤掃描子程序中，當(dāng)有鍵按下做相應(yīng)操作，必須當(dāng)按鍵釋放時(shí)才能繼續(xù)掃描，否則將導(dǎo)致一次按下執(zhí)行多次的錯(cuò)誤情況 雖然遇到了許多困難，但是在老師的幫助下，我還是完成了這次的課程設(shè)計(jì)。通過本次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步了解了系統(tǒng)搭建的過程和系統(tǒng)軟件編程的步驟，為今后的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。 在這 里我要感謝我的指導(dǎo)老師 師。 X 老師工作很忙，但還是在我做課程設(shè)計(jì)的時(shí)間里一直關(guān)心我的進(jìn)展，從設(shè)計(jì)方案的確定和修改，仿真的檢查，及后來的詳細(xì)設(shè)計(jì)等過程中都給了我很大的支持和關(guān)注。本次課程設(shè)計(jì)讓我把理論應(yīng)用到了實(shí)踐，同時(shí)通過課程設(shè)計(jì)，也加深了我對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解和掌握。在解決問題的過程中，我查閱了大量專業(yè)書籍，獲得了許多專業(yè)知識(shí)，拓展了視野，提高了我的理論水平和實(shí)際的動(dòng)手能力，并讓我學(xué)會(huì)了解決問題的方法，激發(fā)了我的探索精神。這樣的課程設(shè)計(jì)是很好的鍛煉機(jī)會(huì)，課程設(shè)計(jì)使我深入的了解到了實(shí)踐能力對(duì)于工科學(xué)生的重 要性，增強(qiáng)了我們的實(shí)踐動(dòng)手能力，也為我接下來大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。 2012 年 7 月 19 日完成 12