直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)項目設(shè)計方案

1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 項目設(shè)計方案 0 前言 電動機(jī)作為最主要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置， 其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防，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機(jī)。據(jù)資料顯示，在 所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機(jī)。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動機(jī)的。電動機(jī)與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時代，電動機(jī)的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機(jī)的簡單控制應(yīng) 用比較多。簡單控制是指對電動機(jī)進(jìn)行啟動，制動，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，以及市場對產(chǎn)品功能和性能的要求不斷提高，直流電動機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，尤其是在智能機(jī)器人中的應(yīng)用。直流電動機(jī)的起動和調(diào)速性能、過載能力強等特點顯得十分重要，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、低價格、大存儲容量和強 I/O 功能等方向發(fā)展。隨著計算機(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、自動化、智能化等方面，特別是在直流電動機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這是因為單片機(jī)具有很多優(yōu)點：體積小，功能全，抗干擾能力強，可靠性高，結(jié)構(gòu)合理，指令豐富，控制功能強，造價低等。所以選用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心以提高整個系統(tǒng)的可靠性和可行性。 2 1 總體方案設(shè)計 統(tǒng) 方案 針對本課題的設(shè)計任務(wù)，進(jìn)行分析得到：本次課程設(shè)計以 片機(jī)為核心，以 5 個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)計中，采用 術(shù)對電機(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，在總體上大致可分為以下 5 個部分組成：輸入模塊，片機(jī)，電源模塊，驅(qū)動模塊，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)勵磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對于直流電機(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，從而實現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。由于 =T，當(dāng)改變勵磁電流 ，可以改變磁通量的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機(jī)磁飽和的限制，電動機(jī)的勵磁電流 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。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻 ，會使機(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(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， 被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時，速度增加；電機(jī)斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律 ，改變通、斷電的時間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。當(dāng)我們改變占空比時，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)智能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)起來很困難。 方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、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)動芯片 動直流電機(jī)， 有驅(qū)動能力強，外圍電路簡單等優(yōu)點。 綜合各方面的因素，采用了方案三。 2 硬件電路設(shè)計 統(tǒng)分析與硬件設(shè)計 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)過信號放大，驅(qū)動電動機(jī)來控制電路，實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。 片機(jī) 用 列單片機(jī)的升級版，由世界著名半導(dǎo)體公司 購買計結(jié) 構(gòu)后，利用自身優(yōu)勢技術(shù) 閃存生產(chǎn)技術(shù)對舊技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，同時使用新的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝，最終得到成型產(chǎn)品。與此同時，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)程序運行空間， 8K 字節(jié) 儲空間，支持最大 64k 外部存儲擴(kuò)展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，時鐘頻率可以設(shè)置在 0間。片內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 3 個定時器、 8 個中斷、軟件設(shè)置低耗能模式、看門狗和斷電保護(hù)。可以在 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，該單片機(jī)支持計算機(jī)并口下載，簡單的數(shù)字芯片就可以制成下載線，僅僅幾塊錢的價格讓該型號單片機(jī)暢銷 10 年不衰。根據(jù)不同場合的要求，這款單片機(jī)提供了多種封裝，本次設(shè)計根據(jù)最小系統(tǒng)有時需要更換單片機(jī)的具體情況，使用雙列直插封裝。 位電路和時鐘電路 復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運行的基本模塊，復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。 有時系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位 ，所以本次設(shè)計選用手動復(fù)位。 流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計 由于單片機(jī) 輸出的電壓最高才有 5V，難以直接驅(qū)動直流電機(jī)。所以我們需要使用恒壓恒流橋式 2A 驅(qū)動芯片 驅(qū)動電機(jī)。 接受標(biāo)準(zhǔn) 輯電平信號，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)動電感性負(fù)載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 驅(qū)動 2 個電動機(jī)， 間可分別接電動機(jī)。本設(shè)計我們選用驅(qū)動一臺電動 機(jī)。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。同時需要加四個二極管在電機(jī)的兩端，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生強大的沖擊電流燒壞電機(jī)。具體驅(qū)動電路如下： 圖 2 驅(qū)動電路 盤電路設(shè)計 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速五個開關(guān)分別與單片機(jī)的 5 連，然后再與地相連。正轉(zhuǎn)實現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)實現(xiàn)直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)，停止實現(xiàn)直流電機(jī)的停轉(zhuǎn)，加速實現(xiàn)直流電機(jī)的加速，減速實現(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 用軟件的編制 和 調(diào)試 使用 件編程時，項目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項目的流程較為相似。 (1)創(chuàng)建一個項目，從器件庫中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置； (2)用 C 語言或會變語言創(chuàng)建源程序； (3)用項目管理器生成應(yīng)用； (4)修改源程序中的錯誤； (5)測試，連接應(yīng)用。 序總體設(shè)計 利用 ，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動直流電機(jī)，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時間，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，經(jīng)驅(qū)動電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟 件采用延時法進(jìn)行設(shè)計。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。按動正轉(zhuǎn)按鈕后，根據(jù) 高電平時實現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)， 高電平時實現(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)停止運轉(zhuǎn)，運行效果如圖所示： 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，由于子程序有很多，有時沒法將每一個子模塊都運行到，自然也無法及時發(fā)現(xiàn)其中的疏漏。為了解決這個問題，更好地查找錯誤，我解決的方法是將各個模塊分別進(jìn)行調(diào)試。例如在調(diào)試某一模塊時，先將其他模塊用“ /”暫時屏蔽掉，直到各個子模塊都健康運行后，再整體調(diào)試，這樣我們更加容易找出錯誤，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，在這個平臺上調(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)實驗結(jié)果，本設(shè)計基本完成了設(shè)計要求， 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 通過本次課程設(shè)計，我從直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與搭建中深深的體會到軟件對于一個系統(tǒng)來說是多么重要。軟件可以說是一個系統(tǒng)的靈魂 ,在工作中指導(dǎo)硬件按照指定的方案運 行。對于剛學(xué)匯編不久的我來說 ,編制一個完整的系統(tǒng)軟件可謂無任何經(jīng)驗可言。在設(shè)計過程中 ,我們主要學(xué)習(xí)體會了單個模塊的搭建與編程 ,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 ,按照我們思路運行，可以說是比較困難的。 由于我缺乏經(jīng)驗，所以經(jīng)常犯下許多低級錯誤。單片機(jī)編程是不能想當(dāng)然的，我最容易犯的錯誤就是不經(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，只記得將相應(yīng)段碼與位碼相對照，卻忘記了實際 硬件是共陰極還是共陽極；還有顯示間隔時間的問題，我本以為長短無所謂，但結(jié)果是如果間隔大于 10會產(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之前，將前一個位選清除，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)按鍵釋放時才能繼續(xù)掃描，否則將導(dǎo)致一次按下執(zhí)行多次的錯誤情況 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。通過本次課程設(shè)計，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)計的時間里一直關(guān)心我的進(jìn)展，從設(shè)計方案的確定和修改，仿真的檢查，及后來的詳細(xì)設(shè)計等過程中都給了我很大的支持和關(guān)注。本次課程設(shè)計讓我把理論應(yīng)用到了實踐，同時通過課程設(shè)計，也加深了我對專業(yè)理論知識的理解和掌握。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，拓展了視野，提高了我的理論水平和實際的動手能力，并讓我學(xué)會了解決問題的方法，激發(fā)了我的探索精神。這樣的課程設(shè)計是很好的鍛煉機(jī)會，課程設(shè)計使我深入的了解到了實踐能力對于工科學(xué)生的重 要性，增強了我們的實踐動手能力，也為我接下來大四的畢業(yè)設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗。 2012 年 7 月 19 日完成 12